Создание прототипа Smart-слоя с волоконно-оптическими датчиками для контроля напряжённо-деформированного состояния конструкций из полимерных композиционных материалов и оценка его технических характеристик

Баранов М.А., Никифоров А.С., Осокин В.М., Тихонова А.А., Третьяков А.А., Шипунов Г.С.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Шипунов Г.С., Баранов М.А., Никифоров А.С., Тихонова А.А., Осокин В.М., Третьяков А.А. Создание прототипа Smart-слоя с волоконно-оптическими датчиками для контроля напряжённо-деформированного состояния конструкций из полимерных композиционных материалов и оценка его технических характеристик // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 4. С. 61–69. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-04-61-69

Shipunov G.S., Baranov M.A., Nikiforov A.S., Tikhonova A.A., Osokin V.M., Tretiyakov A.A. Creation of a SMART Layer prototype with fiber-optic sensors for monitoring the stress–strain state of structures fabricated from polymeric composite materials and an estimation of its technical characteristics [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2021. V. 88. № 4. P. 61–69. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-04-61-69

Ссылка на англоязычную версию:

G. S. Shipunov, M. A. Baranov, A. S. Nikiforov, A. A. Tikhonova, V. M. Osokin, and A. A. Tret’yakov, "Creation of a SMART Layer prototype with fiber-optic sensors for monitoring the stress–strain state of structures fabricated from polymeric composite materials and an estimation of its technical characteristics," Journal of Optical Technology. 88(4), 209-214 (2021). https://doi.org/10.1364/JOT.88.000209

Аннотация:

В работе проведены исследования по созданию Smart-слоя, позволяющего решить проблемы внедрения, защиты и определения фактического места расположения волоконно-оптических датчиков с брэгговскими решётками. Рассмотрены различные конфигурации создания и возможности применения Smart-слоёв на основе полиуретана, полиамида, полимерной армированной сетки. Продемонстрирована возможность и корректность расшифровки информации, полученной с волоконно-оптических датчиков, внедрённых в Smart-слой при одноосном растяжении образцов со Smart-слоем. Исследованы вопросы, связанные с определением фактического места расположения внедрённых Smart-слоёв различной конфигурации радиационными методами неразрушающего контроля. Установлено, что разработанные прототипы Smart-слоёв позволяют решить вопросы, связанные с изменением местоположения волоконных датчиков после процесса формования конструкций из полимерных композиционных материалов. Описаны достоинства и недостатки различных конфигураций Smart-слоёв и возможности их применения для различных задач мониторинга.

Ключевые слова:

волоконно-оптические датчики, Smart-слой, физико-механические характеристики, расшифровка данных, фактическое месторасположение брэгговских решёток, радиационные методы неразрушающего контроля

Благодарность:

Результаты получены при выполнении государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на выполнение фундаментальных научных исследований (проект № FSNM-2020-0026).

Коды OCIS: 050.1950, 060.2290, 060.2370, 060.3735

Список источников:

1. Luyckx G., Voet E., De Waele W., Degrieck J. Multi-axial strain transfer from laminated CFRP composites to embedded Bragg sensor: I. Parametric study // Smart Mater. Struct. 2010. V. 19. Art. ID 105017.
2. Mawatari T., Nelson D. A multi-parameter Bragg grating fiber optic sensor and triaxial strain measurement // Smart Mater. Struct. 2008. V. 17. Art. ID 035033.
3. Guemes A., Fernandez-Lopez A., Soller B. Optical fiber distributed sensing - physical principles and applications// Structural Health Monitoring. 2010. P. 233–245.
4. Dai Y., Liu Y., Leng J., Deng G., Asundi A. A novel time-division multiplexing ber Bragg grating sensor interrogator for structural health monitoring // Opt. Lasers Eng. 2009. V. 47. P. 1028–1033.
5. Sasi D., Philip S., David R., Swathi J. A review on structural health monitoring of railroad track structures using fiber optic sensors // Materials Today: Proceedings. 2020. P. 1–7.
6. Prabhugoud M., Peters K. Efficient simulation of Bragg grating sensors for implementation to damage identification in composites // Smart Materials & Structures. 2003. P. 914–924.
7. Bremer K., Wollweber M., Weigand F., Rahlves M., Kuhne M., Helbig R., Roth B. Fibre optic sensors for the structural health monitoring of building structures // Procedia Technology. 2016. V. 26. P. 524–529.
8. Fu T., Liu Y., Li Q., Leng J. Fiber optic acoustic emission sensor and its applications in the structural health monitoring of CFRP materials // Optics and Lasers in Engineering. 2009. V. 47. P. 1056–1062.
9. Sbarufatti C., Manes A., Giglio M. Application of sensor technologies for local and distributed structural health monitoring // Struct. Control Heal. Monit. 2014. V. 21. No. 7. P. 1057–1083.
10. Mallick P.K. Fiber-reinforced composite materials, manufacturing and design. Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2007. 617 p.

11. Motwani P., Perogamvros N., Taylor S., Sonebi M., Laskar A., Murphy A. Experimental investigation of strain sensitivity for surface bonded fiber optic sensors // Sensors and Actuators A: Physical. 2020. V. 303. P. 1–13
12. Composite materials for aircraft structures / Ed. by Baker Alan, Dutton Stuart, Kelly Donald. Blacksburg: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2004. 597 p.
13. Фирсов С.А. Юргенсон Л.Л. Принципы построения системы мониторинга технического состояния конструкции для авиационных конструкций // Прикладная фотоника. 2017. № 4. С. 280–296.
14. Tashkinov M.A., Shardakov I.N. Numerical analysis of the effect of microscale components interaction on measurements of fiber optic strain sensors used in composite structures // Advances in Materials Science and Engineering. 2019. P. 1–8. DOI: 10.1155/2019/1714608.
15. Voronkov A.A., Anoshkin A.N., Nikhamkin M.A., Shipunov G.S., Sazhenkov N.A., Nikiforov A.S. Registration of dynamic deformations of a composite material by fiber-optic sensors. // AIP Conference Proceedings. 2020. P. 1–6.
16. Shardakov I.N., Shestakov A.P., Serovaev G.S., Kosheleva N.A., Epin V.V. The study of impact loading on GFRP plates using a network of piezoceramic sensors // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 581. 2019. P. 1–7.
17. Shipunov G.S., Voronkov A.A., Pelenev K.A., Golovin D.V. Estimating the accuracy of the indications of fiberoptic sensors based on Bragg gratings when testing the outlet guide vane from carbon fiber // Proceedings of the advanced materials with hierarchical structure for new technologies and reliable structures. 2018. P. 1–4.
18. Shipunov G.S., Voronkov A.A., Pelenev K.A., Shestakova K.N. Calculation and experimental study of the stress-strain state of the power frame of an aviation engine equipped with fiber optic sensors // Mechanics, resource and diagnostics of materials and structures (MRDMS-2018). 2018. P. 1–5.
19. Voronkov A., Kosheleva N., Pelenev K. Experimental study of the stress-strain state features of outlet guide vane made from polymer composite material using fiber optic sensors // International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). Vladivostok. Russia. 3–4 October 2018. P. 1–5.
20. Shardakov I.N., Kosheleva N.A., Serovaev G.S., Shestakov A.P., Shipunov G.S. Stress-strain state analysis and structural evaluation of PCM construction consisting of heterogeneous elements // International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET). 2018. V. 9. Is. 10. P. 1157–1171.
21. Паньков А.А. Mathematical model for diagnosing strains by an optical fiber sensor with a distributed Bragg grating according to the solution of a Fredholm integral equation // Mechanics of Composite Materials September. 2018. V. 54. Is. 4. P. 513–522.
22. Паньков А.А., Писарев П.В. Численное моделирование в ANSYS электроупругих полей в пьезоэлектролюминесцентном оптоволоконном датчике диагностирования объемного деформированного состояния композита // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2017. № 3. С. 153–166.
23. Serovaev G.S., Matveenko V.P., Kosheleva N.A., Fedorov A.Y. Numerical modeling of the capillary in the Bragg grating area, ensuring uniaxial stress state of embedded fiber-optic strain sensor // Procedia Structural Inegrity. 2019. V. 17. P. 371–378.
24. Armita K. Structural health monitoring layer having distributed electronics // Patent USA № 20070018083. G01J 1/04 (2007.01).
25. Qing X.P., Beard S.J., Armita K., Chan H., Ikegami R. Advances in the development of built-in diagnostic system for filament wound composite structures // Composites Science and Technology. 2006. V. 66. P. 1694–1702.
26. Потрахов Н.Н., Аношкин А.Н., Зуйко В.Ю., Осокин В.М., Писарев П.В., Пеленев К.А. Расчетно-экспериментальная оценка прочности сегмента композитного шпангоута с применением метода in-situ рентгеновского контроля // Вестник ПНИПУ. Механика. 2017. № 1. C. 118–133.
27. ГОСТ Р 56785-2015. Композиты полимерные. Метод испытания на растяжение плоских образцов.
28. Alemohammed H. Opto-mechanical modeling of fiber Bragg grating sensors // Opto-Mechanical Fiber Optic Sensors. P. 1–26.
29. Шипунов Г.С., Баранов М.А., Н икифоров А .С., Головин Д.В., Тихонова А.А. Исследование влияния Smart-слоя на физико-механические характеристики образцов из полимерных композиционных материалов при квазистатическом нагружении // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического универститета. Механика. 2020. № 4. С. 188–200. DOI: 10/15593/perm.mech/2020.4.16
30. Matveenko V.P., Kosheleva N.A., Shardakov I.N., Voronkov A.A. Temperature and strain registration by fibre-optic strain sensor in the polymer composite materials manufacturing. // International Journal of Smart and Nano Materials. 2018. V. 9. No. 2. P. 99–110.