Активний моніторинг стану товстих композитних конструкцій за допомогою вбудованого та поверхневого монтажу п’єзо
Анотація
Представлено ефективний підхід для вбудованого п'єзодіагностичного шару в товстий композитний матеріал. Ефективність підходу оцінюється порівняно з поверхневим шаром. Пропоноване виробництво полегшує труднощі, пов'язані з обрізанням країв композитів при вкладанні проводів. Техніка електромеханічного імпедансу використовується для доступу до цілісності процесу скріплення п’єзоелектричних датчиків. Порівнюються ультразвукові керовані хвилі між вбудованими та поверхнево встановленими діагностичними шарами та їх проникненням через та по товщині композитів. Досліджуються температурні впливи в діапазоні від -40 ° C до 80 ° C на вбудовані та поверхнево керовані керовані хвилі. Проводиться дослідження взаємозв'язку між амплітудою та часом прольоту з температурою при різних частотах збудження. Температура має значний, але різний вплив на амплітуду та фазовий зсув керованих хвиль для вбудованого шару порівняно з поверхневим шаром. Лазерний доплерівський віброметр використовується для ідентифікації синього прилипання та пошкодження від удару. Показано, що як вбудовані, так і накладені на поверхню шари є ефективним засобом генерування розсіяного хвильового розсіювання від пошкоджень.
1. Вступ
Товсті композити як переважно несучі структурні компоненти за останні десятиліття відіграють дедалі більшу роль у авіаційному застосуванні [1,2]. Вони широко використовуються, особливо у великих конструкціях літаків (Boeing 787 та Airbus 350 XWB), завдяки високій жорсткості та міцності та стійкості до корозії. Одним з найважливіших питань безпеки для цих великих конструкцій є гарантування цілісності конструкції та стійкості до пошкоджень в межах обмежень конструкції [3]. Ці потенційні пошкодження, особливо пошкодження від удару, що призводять до розтріскування та розшарування волокон, можуть поширюватися і в кінцевому підсумку спричинити вихід з ладу критичних компонентів. Тому необхідно постійно контролювати цілісність конструкцій цих товстих композитних конструкцій протягом терміну їх служби.
Система структурного моніторингу здоров'я (SHM) може надавати в реальному часі оцінку цілісності повітряного судна під час експлуатації [1]. Це також дозволяє періодично аналізувати чутливі компоненти, виявляти складні невидимі дефекти та оцінювати цілісність конструкції за допомогою дистанційного зондування [4]. Система SHM, заснована на керованих ультразвуковими хвилями (UGW), збуджених виконавчими механізмами титанату цирконату свинцю (PZT), привернула велику увагу [5]. UGW може поширюватися на великі відстані з меншими втратами енергії, і, отже, використання UGW є потенційним способом перевірки великих композитних конструкцій [6]. Крім того, використання UGW виявилося ефективним та результативним для виявлення та локалізації пошкоджень у композитних конструкціях [7]. Тому система SHM може бути ефективним способом контролю цілісності товстих композитів.
Перетворювачі PZT широко використовуються в системі SHM, оскільки вони легкі та відносно недорогі [8,9,10]. Крім того, вони можуть одночасно демонструвати поведінку виконавчого механізму/датчика, що дозволяє виявляти як пасивні, так і активні виявлення [8,9,11]. Перетворювачі PZT, як правило, вбудовані всередину або встановлені на поверхні на композитах. Що стосується методів вбудовування, Mall та Yocum et al. [12,13,14] запропонував два традиційні методи: методи вставки та вирізу. Про альтернативний підхід повідомляється у Довідниках [15,16,17,18], де перетворювачі PZT були підключені на SMART (Stanford Multi-Actuator Receiver Transduction) Layer TM як додатковий шар під час укладання. Цей шар, заснований на техніці друку, діяв як додатковий шар під час укладання, замість того, щоб просто вбудовувати перетворювачі PZT у композитні ламінати.
Інші методи вбудовування стосуються волоконних датчиків Бреггівської решітки (FBG). Батте та ін. [19] запропонував традиційний метод, просто вставляючи датчики FBG у вбудовані шари під час укладання, а просочені кремнієм термопластичні оплетки використовувались в області виходу/входу для захисту зони сполучення між датчиками FBG та композитами. Однак край композитів не можна обрізати за допомогою цього методу, що неприйнятно в промисловому виробництві. Для вирішення цієї проблеми Беукема [20] запропонував два методи вбудовування, перший метод передбачав створення порожнистої трубки під час укладання, а датчик FBG міг подаватися через порожнисту трубку після затвердіння. Інший метод передбачав інтеграцію мініатюрного роз'єму Diamond Micro Interface (DIM) у вбудований датчик FBG. Як повідомлялося, цей метод був кваліфікований аерокосмічним стандартом і використовувався Національним управлінням аеронавтики та космосу (НАСА) у проекті "Марс". Крім того, був запроваджений інший метод, завдяки якому вирізали частину складених шарів на краю краю, щоб значно спростити вихід FBG-датчика [21]. Luyckx та ін. [22] та Teitelbaum et al. [23] також запропонував вбудувати мініатюризований пристрій зчитування бездротових передач, щоб ретельно усунути точку входу.