Работаем по всей России
8 (800) 300 67 79
info@gasdiesel.ru
Введите и отправьте свои данные, после чего с Вами свяжется специалист нашей компании и ответит на все интересующие Вас вопросы.
Работаем по всей России
8 (800) 300 67 79
info@gasdiesel.ru
Разработчики композитов убедились в том, что чтобы гарантированно достичь совершенства отдельных компонентов и системы в целом, повторяемость параметров и надежность, крайне важно иметь доступ к большему количеству данных от датчиков и тестов. Независимо от того, стремятся ли они сертифицировать композитное изделие целиком, убедиться в целостности детали в течение всего ее жизненного цикла или просто оценить эффективность клеевого соединения, разработчики теперь имеют новый инструмент измерения и оценки, который обеспечивает беспрецедентную прозрачность поведения композитных материалов.
В течение десятилетий основным средством для инженеров-материаловедов и аналитиков напряжений был тензометрический датчик (тензодатчик; от лат. tensus — напряжённый) — датчик, преобразующий величину деформации в удобный для измерения сигнал. Изобретенный в 1950-х годах тензодатчик быстро стал стандартным инструментом для точечного измерения уровней деформации в металлах. Однако из-за высокой стоимости и сложности применения таких устройств (размер датчика, крепление, подключение и т. д.) инженеры были вынуждены сосредоточиться на наиболее критических местах и выбирать только несколько ключевых точек напряжения для снятия показаний. В эпоху применения стандартных изотропных материалов, физико-механические свойства которых постоянны и одинаковы во всех направлениях, таких как металл, стекло и т.д., с хорошо изученными свойствами и знанием того, как напряжение распространяется по материалу, этот подход снимания данных был эффективным и действенным способом проверки материалов и подтверждения целостности высокоточных изделий.
Так или иначе, системы из композитных материалов, это другая история. В дополнение к своим ортотропным свойствам композиты охватывают обширный и постоянно растущий диапазон типов материалов и способов производства. Хотя программное обеспечение для моделирования изделий из композитных материалов развиваются с впечатляющей скоростью, число переменных и сложностей, присущих композитным материалам и системам, остается серьезной проблемой для конструкторов, стремящихся гарантировать надежность нового продукта. Поскольку композиты из углеродного волокна все чаще используются в высоконагруженных конструкциях, требующих более высоких уровней проверки, выборочная проверка с помощью тензодатчиков приводит к проблемным слепым зонам.
К счастью, разрыв между реальностью и симуляцией может быть значительно сокращен с помощью оптоволоконных датчиков. Исследование состояния конструкции, производимое при помощи оптоволокна, впервые разработанное в 1990-х годах для мониторинга промышленно гражданских сооружений, развилось до уровня возможностей и надежности, полезных в индустрии композитов, что позволяет проводить гораздо более полные и точные испытания и проверки. Фактически, технология, которая обещает шагнуть за пределы тестовой лаборатории, позволяет создать интеллектуальные изделия, содержащие в себе тысячи встроенных датчиков.
Эти разработки послужили появлению волоконно-оптического датчиков высокой четкости (HD-FOS). HD-FOS может использовать стандартное оптическое волокно в качестве очень чувствительного непрерывного датчика напряжения или температуры. Используя незначительные изменения, вызванные деформацией и изменением температуры, влияющие на то, как свет проходит через это оптическое волокно, системы HD-FOS могут обнаруживать и измерять более 1000 отдельных точек деформации или температуры на метр длины волокна с точностью и чувствительностью наравне с устаревшими датчиками, включая тензодатчики.
Кроме того, оптические волокна физически совместимы с композитными материалами. Чрезвычайно легкие, тонкие и гибкие оптоволоконные нити можно легко интегрировать в композитные детали независимо от их геометрии. Они могут быть встроены в деталь и измерять внутреннюю или межслойную деформацию - изменения, которые недоступны для тензодатчиков или систем, основанных на определении видимых изменений. Многочисленные исследования показали, что встраивание волоконно-оптических датчиков в композитную структуру не оказывает вредного влияния на характеристики конструкции. Более того, в отличие от тензодатчиков с металлической фольгой, волоконно-оптические датчики пассивны, невосприимчивы к электрическим полям, химически инертны и демонстрируют отличное сопротивление усталости.
Рис 1: HD-FOS встроенные в балку передают непрерывные данные о деформации с разрешением менее 1 мм во всех трех измерениях.
Например, на рис. 1 показана композитная консольная балка с трехмерным армированием из углеродного волокна. Оптическое волокно 125 мкм было интегрировано в заготовку по осям X, Y и Z. Таким образом, датчики HD-FOS способны фиксировать тысячи дискретных точек деформации во всех трех измерениях. На рисунке представлена выборка данных о деформациях вдоль оси Y, поперечной к приложенной нагрузке. Отмеченные точки, где волокно совершает поворот (A, B, C и т.д.), испытывали растягивающее напряжение, которое увеличивалось с ростом нагрузки. Для облегчения понимания эти данные отображены на графике.
Одна особенно сложная область, в которой эта технология может иметь значение - это использованиеее в смешанных материалах. Хотя многокомпонентные материалы имеют массу существенных преимуществ, прогнозирование механических характеристик на протяжении всего срока их службы является основным требованием во многих областях применения.
Рис 2: Данные с HD-FOS способны точно определять места расслоения. Вертикальная дефектоскопия образца приведена в нижней части рисунка.
Обычные методы контроля и испытаний могут использоваться для проверки количества повреждений или отслоений, но HD-FOS оказывается ценным инструментом для измерения расслоений непосредственно внутри материала, без видимых разрушений. На рис. 2 показаны данные измерений HD-FOS, приклеенного к обеим сторонам образца для испытаний внутреннего расслоения, длина которого составляет около 30 см. После испытания внутренние расслоения сканировали ультразвуком и сравнивали с данными HD-FOS. Данные HD-FOS могут более точно определить местоположение отрыва, что позволяет рассчитать скорость нарастания расслоения.
Хотя понимание процессов, происходящих внутри многокомпонентных материалов очень важно для создания более износостойких конструкций, Святой Грааль - это возможность получать данные об их состоянии прямо во время использования. В настоящее время для обнаружения повреждений обычно используются различные методы проведения контроля качества или технической диагностики, при которых не нарушаются рабочие свойства, а также прочность, целостность и надежность объекта контроля или отдельных его элементов (NDE/NDT). Однако эти методы отнимают много времени и требуют значительных простоев оборудования и трудозатрат. Использование встроенных датчиков гарантирует мгновенное обнаружение структурных проблем и повреждений.
Применительно к композитной конструкции, которая имеет оптоволоконные датчики, встроенные во время изготовления по всей поверхности, в любое время можно сделать снимок в любой точке структуры, чтобы оценить остаточную деформацию, которая, служит надежным индикатором разрушения в следствие усталости материала, ударного повреждения, роста трещин, расслоения или иного повреждения.
Рис 3: Встроенные оптоволоконные датчики предоставляют бесценные данные о целостности компонента или системы. Красная область указывает на внутренние повреждения, полученные в ходе испытания баллона на падение.
На рисунке 3 показан композитный баллон высокого давления с вплетенными волоконно-оптическими датчиками. Опрос датчиков HD-FOS генерирует тысячи измерений по всей поверхности, которые отображаются на 3D визуализации. Баллон ранее был испытан на падение, и трехмерная развертка данных легко указывает на области сильного внутреннего повреждения, обозначенные красным цветом.
Возможность встраивания датчиков HD-FOS может потенциально изменить способ проектирования и использования композитных конструкций на протяжении всего срока службы. Датчики HD-FOS позволяют создавать действительно интеллектуальные конструкции, которые снабжены «нервной системой» датчиков, способной обнаруживать и анализировать внутренние напряжения и деформации во время работы.
Институт передовых инноваций в производстве композитов (IACMI, Ноксвилл, Теннесси, США) объявил о проекте по созданию интеллектуальных композитных баллонов высокого давления (Smart Composite Pressure Vessels (SCPV), с интегрированным мониторингом состояния. Проект возглавляет Steelhead Composites LLC (Голден, Колорадо, США), с командой, включающей Teijin Carbon (Роквуд, Теннесси, США), Национальную лабораторию Ок-Риджа (ORNL, Ок-Ридж, Теннесси, США) и Университет Теннесси (Ноксвилл, Теннесси, США).
Целью этого сотрудничества является разработка структурно-предсказуемых, недорогих интеллектуальных композитных баллонов высокого давления (SCPV) без ущерба для безопасности путем использования интегрированного мониторинга целостности. В проекте используется технология интеллектуальных оптоволоконных датчиков, разработанная профессором Dayakar Penumadu из Университета Теннесси, для оптимизации использования углеродного волокна и реализации технологии, обеспечивающей обратную связь с баллоном для мониторинга повреждений, связанных с усталостью материала. Steelhead Composites будет использовать опыт ORNL для оптимизации производства баллонов. Эта технология затем может быть использована для снижения стоимости композитных баллонов КПГ, применяемых в автоиндустрии.
В течение всего этого проекта интегрированные системы слежения HD-FOS будут осуществлять непрерывный мониторинг состояния баллонов и вести сбор данных об изменении характеристик на протяжении всего жизненного цикла вызванных воздействием силы различной величины. «В настоящее время требования к безопасности баллонов связаны с их применением в аэрокосмической промышленности. В дальнейшем баллоны, созданные при помощи мониторинга состояния, повысят эксплуатационную безопасность и снизят их стоимость в автомобильном секторе», - говорит Доктор Kaushik Mallick, директор по проектированию Steelhead Composites, LLC.
Конечная цель этого проекта состоит в том, чтобы обеспечить высокую степень доверия к безопасности баллонов и в дальнейшем снизить их стоимость. «Для широкого внедрения композитных баллонов в автомобильной промышленности необходима тщательная проверка стандартов безопасности для конкретных применений» - говорит John A. Hopkins, генеральный директор Института композитов. «Члены IACMI обладают опытом и техническими возможностями для проведения исследований, чтобы помочь в продвинуть эти решения».
Метод, разработанный в результате этого процесса, откроет новые возможности для интеграции систем мониторинга HD-FOS в отрасль производства углепластиковых баллонов КПГ. Результаты проекта могут позволить частной промышленности усовершенствовать производственный процесс, начать применять более эффективные материалы, снизить стоимость конечного продукта и сделать его более массовым.
Проект, возглавляемый Steelhead, частично поддерживается государственными партнерами IACMI, в том числе Колорадским отделом экономического развития и международной торговли (COEDIT, Денвер, Колорадо, США) и Департаментом экономического и общественного развития штата Теннесси (Нэшвилл, Теннесси, США). Эти государственные партнеры продвигают инновации, поддерживая IACMI и его участников.