Исследование возможностей углепластиковой детали, оснащенной массивом волоконно-оптических Брэгговских решёток

Измерительная аппаратура и оборудование

Гнусин П.И.

ООО "Нева Технолоджи" (Санкт-Петербург)

Аннотация. В статье экспериментально исследована возможность восстановления деформации детали из полимерного композиционного материала по показаниям точечных волоконно-оптических чувствительных элементов, внедренных в ее структуру. Показано, что кривые прогиба, вызванного приложением одиночного усилия, можно восстановить с удовлетворительной точностью по показаниям небольшого числа чувствительных элементов, даже если точка приложения силы неизвестна.

Ключевые слова: волоконно-оптический, датчик, композит, прогиб, мониторинг

 Исследование возможностей углепластиковой детали, оснащенной массивом волоконно-оптических Брэгговских решёток

Введение.

Волоконная Брэгговская решетка (ВБР) представляет собой периодическую структуру показателя преломления, созданную на участке волоконного световода. Такая структура обладает резонансным отражением для светового излучения определенного диапазона длин волн.

Определяющими характеристиками резонансных свойств ВБР являются период созданной структуры Λ, число её штрихов N (на практике обычно используют длину решетки L, связанную с числом штрихов очевидным соотношением L=NΛ), средний наведенный показатель преломления и модуль первого Фурье-коэффициента в разложении наведенного профиля штриха (во многих работах он назван амплитудой модуляции показателя преломления (ПП) или, гораздо реже - амплитудой эквивалентного синусоидального представления ПП). Эти три величины, вместе с параметрами волоконного световода, в котором записана ВБР, определяют для однородной решетки основные спектральные характеристики – резонансную длину волны (РДВ), спектральную ширину резонанса и максимальный коэффициент отражения. Соотношения, описывающие эту связь, подробно описаны в монографии [1].

Зависимость резонансной длины волны ВБР от приложенной к ней деформации и температуры окружающей среды позволяет использовать их в качестве чувствительных элементов датчиков температуры и деформации, а также иных физических величин, которые можно преобразовать в деформацию (например, давления или угла наклона). Крупнейшим мировым производителем ВБР-датчиков является фирма Micron Optics [2].

В то же время малые габариты и высокая стабильность решеток позволяют легко внедрять их в различные полимерные материалы, включая углепластики и полимерные композиты, практически не меняя структуры и свойств материала. Массив чувствительных элементов образует «информационный слой» материала. Это позволяет создавать материалы и детали, обладающие свойствами информационного сопровождения и самодиагностики, т.е. в непрерывном режиме долговременно производить мониторинг пластиковой или композиционной детали или конструкции в рабочих условиях.

В данной работе для демонстрации этого принципа использовался внедренный в упругий углепластиковый стержень (балку) массив из пяти ВБР, по изменению РДВ которых восстанавливалась кривая прогиба стержня.

Эксперимент.

Материал для создания преформы образца (препрег) углепластика T800H/3631 представляет собой структуру из сонаправленных углеродных волокон, пропитанных эпоксидным клейким связующим. Для придания материалу механической прочности небольшая часть волокон (~1%) уложена в препреге перпендикулярно главной оси. Толщина одного монослоя препрега составляла в данном случае (0.2 ± 0.01 мкм). В соответствии с техническим стандартом формование композиционного материала T800H/3631 происходит при температуре T_F=170 °C и гидростатическом давлении P_F=6 атм.

При указанных условиях связующее препрега полимеризуется, образуя монолитный образец. При этом механические свойства образца определяются числом слоев и направлением их укладки.

Для создания демонстрационного прототипа был создан углепластиковый стержень прямоугольного поперечного сечения, толщиной D=9.8 мм. Направление углеродных волокон во всех монослоях препрега было параллельно оси стержня (т.н. «однонаправленный углепластик»). Параллельно оси стержня в верхних слоях преформы стержня перед формованием была размещена цепочка из пяти ВБР, как показано на рисунке 1. Стержень затем был закреплен консольно в оснастке, таким образом, что к нужной его точке можно было прикладывать изгибающее усилие посредством регулируемого болта. Для контроля прогиба на расстоянии d =300 мм от точки заделки стержня был установлен эталонный механический измеритель перемещения.

Рисунок 1 - Схема внедрения световода с ВБР в углепластиковую деталь

Параллельно приложению изгибающего усилия регистрировались показания ВБР, по которым затем, без привлечения данных о количестве и местах расположения усилий, восстанавливалась кривая прогиба стержня. Для регистрации использовался интеррогатор SM 130-700 производства MicronOptics (абсолютная точность определения резонансной длины волны ВБР 10 пм, чувствительность до 1 пм, частота регистрации 1 кГц). Чтобы увеличить чувствительность устройства, полученные результаты измерения усреднялись по методике «скользящего среднего» с временем усреднения 0.5 сек.

Восстановление точек приложения усилий и величины прогиба осуществлялось в предположении, что стержень однороден по длине и глубина залегания ВБР в каждой точке стержня одинакова (выполнение этих предположений гарантировалось стабильностью технологии формования углепластиковых образцов). Нетрудно показать, что при таких условиях величина локальной деформации каждой из ВБР пропорциональна изгибающему моменту в точке ее размещения. Это, в свою очередь, позволяет аппроксимировать изгибающий момент по показаниям датчиков оптимальным набором прямых, поскольку известно, что изгибающий момент для консольной балки в случае приложения точечной силы линейно изменяется по ее длине от точки закрепления балки до точки приложения силы, и равен нулю во всех точках за ней.

После восстановления точек приложения усилий кривая прогиба стержня f (x) вычислялась по формуле

f (x) = 10^-6 ´(Σ_kf_k (x))/3d, где

f_k (x) = (b_k/x_k) ´x²´(3 x_k - x), если x£x_k

f_k (x) = (b_k/x_k) ´ x_k² ´ (3 x – x_k), если x > x_k

В данном выражении f_k (x) задает прогиб от каждого из усилий, b_k пропорционально максимальном изгибающему моменту (в точке фиксации балки) от этого усилия, x_k– координата точки приложения данного усилия, d– расстояние от оси балки до плоскости, в которой располагаются ВБР.

В ходе обработки результатов измерения полученное значение прогиба в контрольной точке, сравнивалось с показаниями с эталонного измерителя. Ход эксперимента представлен в видео.

Анализ результатов.

В видео эксперимента представлены временные зависимости величины локальных относительных деформаций, рассчитанных по сдвигу резонансных длин волн ВБР в ходе прогиба балки. Решеткам, расположенным ближе к творцу заделки балки, соответствует большее значение локальной деформации, поскольку изгибающий момент при приложении к консольной балке одиночного усилия уменьшается в направлении свободного конца балки.

На рисунке 2 представлены восстановленные по данным, продемонстрированным в видео, по описанной выше методике кривые прогиба образца. Еще раз подчеркнем, что в ходе вычислений не использовалось сведений о точках приложения изгибающих усилий. При этом погрешность определения координаты приложения основного изгибающего усилия (сплошная красная кривая на рисунке 2 а, б) составила для обоих частей эксперимента не более 20 мм (рисунок 3). Отклонение восстановленной величины прогиба в точке расположения эталонного индикатора (синяя линия на рисунке 2) от его показаний составило для всех измерений не более 1.5 мм.

Вместе с тем, неточность изготовления образца и погрешность в расположении датчиков привели к возникновению в расчетных данных "артефакта" в виде дополнительной точки приложения относительно слабого по величине усилия на расстоянии d = 140 ± 15 мм от точки заделки (тонкая красная штриховая линия на рисунке 2, положение в ходе эксперимента указано на рисунке 3).

(а) (б)

синие треугольники – точки расположения ВБР;

толстая красная линия – точка приложения изгибающего усилия;

толстая синяя линия – точка расположения эталонного индикатора;

тонкая красная штриховая линия – точка приложения дополнительного усилия, возникшая как «артефакт» расчетов;

(а) – первая часть эксперимента, (б) – вторая часть эксперимента

Рисунок 2 - Рассчитанные кривые прогиба балки в ходе двух частей эксперимента для величины прогиба в контрольной точке 1, 2 и 2.5 см (а), 3 см (б)

(а) (б)

черный цвет – основное усилие;

красный цвет – артефакт вычислений;

синяя линия – действительная точка приложения усилия;

(а) – первая часть эксперимента, (б) – вторая часть эксперимента

Рисунок 3 - Рассчитанное положение точек приложения силы

На рисунке 4 для иллюстрации возможностей анализа данных в виде цветовой диаграммы приведена полная картина изменения прогиба балки во времени для первой части эксперимента (расстояние от точки заделки до точки приложения усилия 590 мм). Видно, что использованный алгоритм позволяет получить данные, пригодные для постэкспериментальной обработки, с характерным шагом интерполяции, заметно меньшим расстояния между чувствительными элементами (хотя, очевидно, это расстояние должно быть меньше характерных расстояний между точками/зонами приложения усилий).

Рисунок 4 - Картина изменения прогиба балки во времени (первая часть эксперимента).

На дополнительных графиках приведены рассчитанная величина прогиба при показаниях эталонного измерителя 1 мм и динамика изменения рассчитанной величины прогиба в точке расположения эталонного измерителя.

Заключение.

В ходе эксперимента было показано, что ВБР-датчики представляют собой удобный инструмент для оснащения деталей из углепластика и иных композиционных материалов системой мониторинга состояния, нагрузок, деформаций и повреждений в ходе цикла эксплуатации. Проведенный эксперимент демонстрирует практические возможности волоконно-оптических систем диагностики, позволяющих интеграцию объекта и измерительной системы в единую деталь, оснащенную информационным слоем.

Автор благодарит коллектив ООО «Нева Технолоджи» за возможность проведения эксперимента, Тундыкова П.С. за вклад в обсуждение математических алгоритмов и коллектив НПЦ «НИАТ Композит» за помощь в изготовлении образца.

Список литературы:

1. R. Kashyarp “Fiber Bragg gratings”. Academic Press, 1999. – 478 p.

2. Micron Optics // 2016. URL: http://www.micronoptics.com/ (дата обращения 25.01.2016).

Abstract. The paper experimentally investigated the possibility of reconstruction deformation of the polymer composite material parts by indications point fiber optic sensing elements embedded in its structure. It is shown that the curves of deflection caused by the application of a single force, can be restored with reasonable accuracy on the data of a small number of sensitive elements, even if the point of application of force is unknown.

Key words: fiber optic sensor, composite, deflection, monitoring.

• < Назад