Full Text

Введение Для мониторинга структурных полей деформирования, диагностирования возникновения и развития дефектов в элементах композитных конструкций необходимы современные высокоточные датчики на основе интеллектуальных материалов в качестве чувствительных, трансляционных, управляющих и адаптирующихся к заданным условиям диагностики элементов для интеграции в сложные композитные структуры. Для этих целей широкое применение находят волоконно-оптические датчики, в которых в качестве основного элемента используется оптическое волокно (световод). Световод может использоваться в качестве линии передачи информативного сигнала и/или чувствительного элемента, в частности, в виде участка световода с дифракционной решёткой Брэгга [1-5]; механолюминесцентный эффект использован в конструкциях датчиков [6]. В [7-10] представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по оценке механических свойств и деформаций полимерных композиционных материалов с помощью интегрированных в структуры материалов оптических волокон с решётками Брэгга. В [11] найдено распределение деформации по длине оптоволоконного датчика и установлена минимально допустимая длина датчика для различных случаев нагружений в результате численного моделирования в пакете ANSYS деформационных процессов в системе «подложка-клей-оптоволоконный датчик» в рамках линейной теории термовязкоупругости. Возможность измерения градиентных полей деформаций волоконно-оптическими датчиками с решётками Брэгга продемонстрирована в [12] на примере пластины с вырезами в сравнении с результатами, полученными при использовании трехмерной цифровой оптической системы Vic-3D, и с результатами численного моделирования методом конечных элементов. Оценки технологических деформаций в полимерных композиционных образцах с использованием внедренных волоконно-оптических датчиков с решётками Брэгга даны в [13]. Другим перспективным решением проблемы диагностирования неоднородных полей деформаций и наличия дефектов в элементах композитных конструкций являются сенсорные пьезоэлектрические сети [14-16], внедренные в структуру конструкции. Моделирование процессов в пьезоэлектрических чувствительных элементах датчиков проводится на основе решений соответствующих связанных краевых задач электроупругости аналитическими [17-20] или численными [21-25] методами механики сплошной среды. Методом конечных элементов в [21] исследовано электротермомеханическое поведение радиально поляризованной полой пьезоэлектрической сферы для различных случаев термосилового нагружения. В [22] рассмотрено применение метода граничных элементов для расчета эффективных электроупругих свойств перфорированных пластин с периодической тетрагональной и случайной структурами из круглых отверстий, материал пластины - трансверсально-изотропный пьезоэлектрик с осью поляризации, лежащей в плоскости пластины. В [23] проведен расчет в пакете ANSYS эффективных электроупругих свойств композита с кубической элементарной ячейкой. Для численного моделирования свойств и электроупругих полей в пьезоэлектрических композитных материалах с нерегулярным расположением круглых включений в [24] использован многоугольный вычислительный элемент с одиночным включением; представительный объем композита представлен совокупностью таких трансформированных элементов. Пакетом ANSYS в [25] исследовано влияние пироэлектрических и пиромагнитных эффектов на функционирование магнитоэлектроупругого датчика и оптимальное расположение датчика на боковой поверхности консольной пластины; расчетная область представляла собой пластину с присоединенным к ней датчиком. В [26-29] предложены новые конструкции пьезоэлектролюминесцентных оптоволоконных датчиков для уточненного диагностирования давления [26-28] и сложного объемного напряженно-деформированного состояния композитных конструкций [29] с использованием алгоритмов [27, 28] обработки приемником-анализатором интегральных оптических сигналов на выходе из световода датчика. Информативный световой сигнал возникает на локальном участке датчика в силу механолюминесцентного эффекта, обусловленного взаимодействием пьезоэлектрического и электролюминесцентного элементов датчика, и передается по световоду к приемнику-анализатору; наличие управляющих электродов расширяет функциональные возможности датчика. Цель - изучение закономерностей распределения электроупругих полей в элементах пьезоэлектролюминесцентного оптоволоконного датчика [29] и в окружающем его композите под воздействием сложного объемного напряженно-деформированного состояния и управляющего напряжения на электродах датчика на основе численной трехмерной модели в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS. 1. Оптоволоконный пьезоэлектролюминесцентный датчик Модель датчика [29] представляет собой коаксиальный слоистый цилиндр: центральное оптоволокно (световод), электролюминесцентный, пьезоэлектрический и внешний буферный слои. Электролюминесцентный и пьезоэлектрический слои разделены общими для обоих слоев радиально-продольными границами на геометрически равные шесть «измерительных элементов» - цилиндрических двухслойных секторов. В измерительных элементах направления пространственных поляризаций пьезоэлектрических фаз (пьезоэлементов) и частоты светоотдач электролюминесцентных фаз различны по всем шести секторам; направления поляризаций пьезоэлементов задаются из условия некомпланарности направлений поляризаций для произвольных трех секторов датчика. В датчике световод и электролюминесцентный слой разделены тонким светопрозрачным «внутренним», а пьезоэлектрический слой покрыт «внешним» управляющими электродами. Буферный слой датчика необходим для механической трансляции на пьезоэлементы лишь однородной макроскопической (усредненной) [30] составляющей микронеоднородного напряженно-деформированного состояния из области диагностируемой нагруженной композитной конструкции. Пьезоэлектрические элементы могут представлять собой различные или один и тот же пьезоэлектрик, например трансверсально-изотропный материал PVDF [31-33], но с различными пространственными направлениями поляризации по секторам; направление поляризации является осью симметрии трансверсально-изотропного пьезоэлектрика PVDF. В осях координаты единичных направляющих векторов могут быть заданы, в частности: , , через ориентационные углы сферической системы координат , , , . Для произвольного с координатой поперечного сечения датчика результирующие электрические напряжения на электролюминесцентных элементах в каждом -м круговом секторе представим линейными разложениями (1) по заданным значениям управляющего электронапряжения и искомым компонентам диагностируемого тензора макродеформаций [30] композита в прилежащей к датчику окрестности с этой координатой , . Коэффициенты , являются «управляющими» и деформационными «информативными» передаточными коэффициентами датчика и зависят от его геометрических и физико-механических характеристик, эффективных упругих свойств композита и ориентации оси датчика относительно осей анизотропии композита; информативные передаточные коэффициенты датчика входят в аналогичные (1) разложения величины через тензор макронапряжений ; отметим, что для рассматриваемой упругой задачи на макроуровне тензоры и связаны между собой тензором эффективных упругих свойств композита. Датчик работает следующим образом. Механолюминесцентные эффекты в датчике возникают в результате парных взаимодействий электролюминесцентных и пьезоэлектрических элементов в каждом из шести круговых цилиндрических секторов датчика. Действие диагностируемых макродеформаций в локальной области композитной конструкции с внедренным в нее датчиком приводит к деформациям пьезоэлектрических элементов датчика и возникновению в них соответствующих электрических полей. В объеме датчика пьезоэлектрические поля от действия суммируются с электрическим полем от управляющего напряжения на электродах датчика, и результирующее электрическое поле действует на электролюминесцентные элементы датчика, вызывая их свечение на различных по элементам частотам. Световой полихромный поток от свечений электролюминесцентных элементов проникает (через фотопрозрачный внутренний электрод) внутрь световода и передается к приемнику-анализатору на выходе из световода. Анализ зависимостей интегральных интенсивностей световых потоков шести различных частот на выходе из световода от управляющего напряжения позволяет сделать вывод о величине и локациях неоднородностей, в частности деформированного состояния по длине датчика. В результате искомые компоненты тензора макродеформаций в локальной области композитной конструкции определяем из решения системы линейных алгебраических уравнений (2) с использованием матрицы информативных передаточных коэффициентов датчика и найденных приемником-анализатором электрических напряжений (1) на электролюминофорных элементах в j-х секторах () по алгоритмам [28] с учетом нелинейных зависимостей интенсивностей исходящих из электролюминофорных элементов световых потоков от величин действующих на них электрических напряжений. В частности, алгоритм [28] позволяет определить независимо для каждой j-й вспомогательной задачи функцию распределения по длине датчика в результате сканирования бегущей гармонической волной управляющего напряжения с варьируемой амплитудой На первом шаге сканирования экспериментально определяется пороговое значение амплитуды волны управляющего напряжения для момента начала свечения на выходе из световода датчика, и далее рассматриваем последовательность шагов по увеличению амплитуды на малую величину , параметр , число шагов сканирования . Малое приращение амплитуды волны при переходе от -го к последующему -му шагу сканирования инициирует появление «функции импульсов свечения» на выходе из световода, обусловленное появлением дополнительных (к уже имеющимся светящимся участкам электролюминофора по длине датчика) новых локальных участков свечения электролюминофора от действия на них соответствующего электрического напряжения , время . По виду функции импульсов свечения и значению амплитуды на -м шаге сканирования рассчитываем искомые значения и локации соответствующих участков . Таким образом, результирующие функции импульсов свечения носят экспериментально-расчетный характер, так как на каждом -м шаге функции «полного свечения» определяется экспериментально, а вычеты рассчитываются по найденным на предыдущих шагах сканирования значениям и их локациям по длине датчика. 2. Численное моделирование Численное трехмерное моделирование (рис. 1-4) взаимодействия и распределения неоднородных связанных электроупругих полей в элементах фрагмента датчика, внедренного в деформированный композитный объем волокнистого стеклопластика, с учетом действия управляющего напряжения на электродах проведено с использованием многопроцессорного вычислительного комплекса Центра высокопроизводительных вычислительных систем Пермского национального исследовательского политехнического университета в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS. Геометрические параметры численной модели: радиусы концентрических цилиндрических поверхностей = 1 мм, = 1,2 мм, = 1,4 мм, = 2,8 мм; ось датчика направлена по оси и расположена в центре параллелепипеда с ребрами, ориентированными по координатным осям и со значениями 16,8 мм по осям и 27,2 мм по оси ; расчетная область (см. рис. 1, а) была дискретизирована на конечных элементов, из которых - для цилиндрической области самого датчика с буферным слоем. Для решения систем линейных алгебраических уравнений использован итерационный решатель метода сопряженных градиентов Jacobi Conjugate Gradient (JCG) solver, который позволил существенно сократить время счета в сравнении с решателем Sparse direct equation solver (SPARSE); время счета для базового варианта задачи составило около 18 часов для SPARSE и 7,5 часов для JCG. Электроупругие характеристики фаз датчика: изотропные свойства световода, изотропные свойства полимерного электролюминофора, трансверсально-изотропные свойства полимерного пьезоэлектрика PVDF (в главных осях) приведены в [28, 33], изотропные упругие свойства буферного слоя из полиэтилена даны в [34], трансверсально-изотропные с осью симметрии свойства параллелепипеда приравнены к эффективным свойствам однонаправленного волокнистого стеклопластика с объемной долей волокон 0,6 [30]. Выполняются условия идеального контакта на всех концентрических цилиндрических и плоских межсекторных межфазных поверхностях с учетом, что на цилиндрических границах с радиусами , заданы значения управляющих электрических потенциалов, на внутреннем электроде принимали равенство на гранях параллелепипеда электрический потенциал приравнен нулю. Для расчета информативных деформационных коэффициентов разложения (1) последовательно задавались простые деформации параллелепипеда через перемещения точек на его гранях при заданных нулевых значениях управляющих потенциалов на электродах датчика. Для расчета управляющих коэффициентов рассматривался случай действия на управляющих электродах датчика единичного электрического напряжения в отсутствие перемещений для точек граней параллелепипеда, . Символами (●) на рис. 1, а показаны места расположения контрольных точек (см. рис. 1, б-з) на границе электролюминофор/пьезоэлектрик в серединном поперечном сечении датчика. Для случая заданного продольного сдвига поля напряжений на рис. 2-4 иллюстрируют как а б в г д е ж з Рис. 1. Расчетная область (а); электрические потенциалы в секторах на электролюминофоре для заданного управляющего напряжения () (б), осевых деформаций (в); (г); (д), равных 0,6176·10-5; углов сдвига (е); (ж), равных 0,6176·10-5, (з); () Fig. 1. Computed area (a), electric potentials in sectors using the electroluminescent phosphor for the set operating voltage () (b), axial deformations (c), (d), (e) are equal to 0.6176·10-5, the angles of shear (f), (g) are equal to 0.6176·10-5, (h), () наличие краевых эффектов вблизи торцов датчика и граней параллелепипеда, так и однородность напряжений в центральной области, в которой влияние краевых эффектов несущественно и где расположены контрольные точки для снятия потенциалов (см. рис. 1, а). Полихромные распределения напряжений на рис. 3, а, рис. 4, а, в по продольной (рис. 3, а) и поперечным , . (рис. 4, а, в) координатным осям, проходящим через центральную точку рассматриваемого фрагмента датчика (рис. 1, а), дополнены соответствующими графиками этих распределений на рис. 3, б, рис. 4, б, г. На рис. 3, а также изображено деформированное положение продольной оси и торцевых сечений фрагмента датчика, на рис. 4, а - деформированное продольное сечение расчетной области с фрагментом датчика (рис. 1, а) в плоскости . Краевые эффекты обусловлены ограниченностью рассматриваемого «представительного объема» в виде параллелепипеда (см. рис. 1, а) Рис. 2. Распределение напряжений в поперечном сечении датчика с буферным слоем Fig. 2. Distribution of stress in the cross section of the sensor with a buffer layer а б Рис. 3. Распределение напряжений по центральной оси датчика Fig. 3. Distribution of stress along the central axis of the sensor а б в г Рис. 4. Распределение напряжений по поперечным центральным координатным осям (а, б), (в, г) Fig. 4. Distribution of stresses along the cross central coordinate axes (а, b), (c, d) и зависят от геометрии реальных внешних границ этого объема и особенностей задаваемых граничных условий для различных случаев реализации заданного макрооднородного напряженно-деформированного состояния , , например, через перемещения (см. рис. 1-4) или через напряжения , где внешняя единичная нормаль в точках на внешних границах объема. В результате найденные (см. рис. 1) информативные деформационные и управляющие коэффициенты датчика (1) позволяют проводить диагностику сложного деформированного состояния в локальной области композитной конструкции и находить численные значения искомых компонент тензора макродеформаций из решения системы линейных алгебраических уравнений (2), где (3) с определителем (см. рис. 1, в-з), значения управляющих коэффициентов датчика : 1,0000, 0,99936, 1,0001, 1,0000, 1,0006, 1,0003 для (см. рис. 1, б). Для тестовой апробации предложенной [29] конструкции датчика (см. рис. 1, а) были решены прямая и обратная задачи: 1) получено численное решение для электрических напряжений между внутренним электродом с нулевым потенциалом и j-ми контрольными точками (●) секторов (см. рис. 1, а) для заданного сложного деформированного состояния для случая , 2) рассчитаны (2), (3) «искомые» компоненты деформаций по найденным значениям величин с учетом известной (3) матрицы информативных коэффициентов датчика; отличие заданных и рассчитанных значений составило менее 1 %. Заключение Разработана численная трехмерная модель пьезоэлектролюминесцентного оптоволоконного датчика [29] для диагностирования объемного напряженно-деформированного состояния в композитных конструкциях в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS. Реализовано численное моделирование неоднородных связанных электроупругих полей в элементах фрагмента датчика, внедренного в деформированный композитный объем волокнистого стеклопластика, с учетом действия управляющего напряжения на электродах датчика. Получены численные значения информативных деформационных и управляющих коэффициентов датчика, необходимых для диагностирования композитных конструкций: локаций и величин неоднородностей компонент тензоров напряжений и деформаций на макро- и микроуровнях композита, с использованием алгоритмов диагностирования [28].

About the authors

A A Pan’kov

Perm National Research Polytechnic University

P V Pisarev

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 317

PDF (Russian) - 138