Введение к работе
Актуальность работы. Волокнистые полимерные композиционные материалы (ВПКМ) находят все большее применение в различных изделиях благодаря своим прочностным и жесткостным характеристикам, а также коррозионной стойкости. Однако в процессе эксплуатации в ВПКМ накапливаются микроповреждения, которые со временем могут привести к потере работоспособности конструкции. Различные дефекты появляются и при изготовлении ВПКМ. Поскольку разрушение композитов изучено менее подробно, чем металлов, трудно оценить степень опасности дефекта. Поэтому использование ВПКМ в изделиях с повышенными требованиями к надежности (например, в авиастроении) сопряжено с некоторой долей риска. В настоящее время необходимой степени надежности силовых конструкций часто достигают завышением коэффициента безопасности, что приводит к увеличению массы конструкции. В идеальном случае контроль состояния ВПКМ необходимо осуществлять в режиме реального времени.
Многие традиционные методы контроля (ультразвуковой, радиоволновой, рентгеновский и т.п.) требуют дорогостоящей крупногабаритной аппаратуры, не позволяющей вести мониторинг состояния ВПКМ в режиме реального времени (в процессе эксплуатации). В связи с этим особенный интерес вызывают те способы контроля состояния ВПКМ, в которых датчики являются частью исследуемого материала. При этом конструкция из ВПКМ сама «сообщает» о степени своей работоспособности. Такие структуры называют интеллектуальными материалами.
В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений контроля состояния ВПКМ в режиме реального времени является использование оптоволоконных чувствительных элементов. Вместе с тем система чувствительных элементов на базе оптических волокон требует сложной аппаратуры подачи/приема и обработки сигналов. Технические параметры чувствительных элементов на базе оптических волокон высоки, но немалой является и стоимость
такого контроля. Кроме того, при применении оптических волокон в качестве
чувствительных элементов ВПКМ существует проблема сохранения исходной прочности. Известны применения пьезоэлектрических чувствительных элементов. Однако они тоже обладают рядом недостатков.
Чувствительными элементами неэлектропроводящего ВПКМ могут быть углеродные нити (УН). Внедрение УН в ВПКМ не приводит к снижению исходных прочностных характеристик материала, так как поперечные размеры элементарных углеродных волокон (составляющих УН) сопоставимы с поперечными размерами других армирующих элементов, входящих в конструкцию. Кроме того, УН могут одновременно выполнять функцию армирующих и чувствительных элементов.
Для контроля состояния ВПКМ с помощью УН необходимо менее чувствительное и точное оборудование, чем для контроля с помощью оптоволокна. Чувствительные элементы на базе УН можно внедрять в ВПКМ на основе различных видов волокон. Более того, УН можно распределить в конструкции таким образом, что они позволят получать наиболее полную информацию о состоянии ВПКМ.
Цель и задачи работы.
Целью работы является обеспечение непрерывного контроля состояния конструкций из неэлектропроводящих ВПКМ на основе разработанного способа внедрения в них чувствительных элементов на базе УН.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
Анализ современного состояния исследований в области непрерывного внутреннего контроля состояния ВПКМ.
Разработка теоретической модели тензочувствительности УН и методики контроля деформированного состояния (ДС) однонаправленного ВПКМ с помощью чувствительных элементов на базе УН.
Разработка методики диагностики повреждений ВПКМ с помощью чувствительных элементов на базе УН
Экспериментальные исследования тензочувствительности отечественных УН и испытания на растяжение кольцевых образцов из стеклопластика и
органопластика с внедренными чувствительными элементами на базе УН.
Экспериментальные исследования возможности диагностики повреждений образцов из базальтопластика с помощью чувствительных элементов на базе УН
Анализ результатов эксперимента. Оценка достоверности методик.
Разработка конструкторско-технологических рекомендаций для проектирования и производства конструкций из ВПКМ с чувствительными элементами на базе УН.
В данной диссертационной работе были получены следующие новые научные результаты:
разработана теоретическая модель тензочувствительности УН, пропитанных связующем, с учетом разрушения элементарных волокон;
получены экспериментальные зависимости:
а) изменения электрического сопротивления УН от напряжения в продольном
направлении в процессе статического растяжения;
б) изменения электрического сопротивления чувствительных элементов на базе
УН от окружной относительной деформации кольцевых образцов из стекло- и
органопластика в процессе статического растяжения;
в) изменения электрического сопротивления чувствительных элементов на базе
УН от количества повреждений в ВПКМ на основе базальтовой ткани;
г) изменения электрического сопротивления чувствительных элементов на базе
УН от фазы отверждения кольцевых образцов из органопластика.
Практическая ценность результатов работы заключается в использовании разработанного способа, инженерной методики и полученных экспериментальных зависимостей для осуществления непрерьшного контроля состояния ВПКМ в процессе изготовления и эксплуатации конструкций авиационной, космической техники и в других областях.
Публикация и апробация работы. Основное содержание и результаты работы изложены в 3 публикациях. Результаты работы доложены на первом российском научно-техническом симпозиуме «Интеллектуальные композиционные
материалы и конструкции» (23-24 июня, 2004 г., г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана). Диссертационная работа в целом докладывалась и получила одобрение на семинаре Научного Совета РАН по механике конструкций из композиционных материалов № 152.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и общих выводов по работе, библиографического списка из 75 наименований. Общий объем диссертационной работы составляет 120 страниц, в том числе 74 рисунка и 5 таблиц.
