Введение

В настоящее время разработка технологии мониторинга напряженно-деформированного состояния элементов конструкции летательных аппаратов из полимерных композиционных материалов (ПКМ) является важной и актуальной задачей.

Основными преимуществами ПКМ в сравнении с традиционными конструкционными материалами (сталь, алюминиевые и титановые сплавы и т. д.) являются низкая плотность, высокая прочность, коррозионная стойкость и долговечность [1–4]. Следует отметить следующие недостатки ПКМ: малый температурный диапазон эксплуатации, низкая удельная прочность при разрыве, в процессе длительной эксплуатации могут накапливать повреждения, обладают большим разбросом значений характеристик [5–8]. При минимизации воздействия приведенных условий ПКМ являются наиболее перспективными конструкционными материалами для элементов конструкции летательных аппаратов.

Повышение безопасности полетов, сокращение эксплуатационных расходов (затраты на плановые и внеплановые осмотры летательных аппаратов с целью оценки состояния конструкции) и прогнозирование остаточного ресурса конструкции летательного аппарата, эксплуатирующегося длительно, позволяют снизить риск причинения вреда людям или нанесения ущерба имуществу до приемлемого уровня (либо поддерживать его на более низком уровне посредством непрерывного процесса выявления источников опасности).

Для подтверждения высокой надежности авиационной техники применяется технический контроль, т. е. проверка соответствия конструкции летательного аппарата установленным техническим требованиям. Большой популярностью пользуются методы неразрушающего контроля – контроль объекта путем определения физико-механических свойств деталей и конструкции из ПКМ без их разрушения [9–11] с помощью ультразвуковых, тепловых, акустических, оптоволоконных и других методов контроля.

Плотность, пористость, содержание армирующих волокон в ПКМ имеют определяющую роль для получения стабильного уровня упруго-прочностных свойств при кратковременном статическом и длительных статических и динамических нагружениях [12]. Отклонения в составе ПКМ, вид деформации (растяжение/сжатие), характер нагруженного состояния (одноосное, плоское, объемное), длительность и цикличность нагружения приводят к значительным изменениям характеристик прочности, упругости и стойкости конструкции из ПКМ.

Сложность состава ПКМ, многообразие форм армирующих наполнителей, различные технологии изготовления препрегов и методов формования обуславливают и многообразие получаемых дефектов [13, 14]. Дефекты неметаллических материалов подразделяют на макро- и микродефекты. К макродефектам относят расслоения, непроклеи, трещины и крупные раковины; к дефектам микроструктуры – зоны повышенной пористости, низкую степень отверждения связующего при формовании, подмятия и др. Расслоения не оказывают влияния на модуль упругости и прочность ПКМ, однако при деформационных нагрузках прочность материала может существенно снижаться в зависимости от глубины залегания и длины дефекта. Трещины являются концентраторами напряжений, нарушают целостность композита, что может привести к расслоению материала.

Основные методы определения дефектов в ПКМ

Внутренние повреждения ПКМ могут быть вызваны разрушением волокна, растрескиванием матрицы, дезонированием (отделение волокон от матрицы) или отслаиванием (отказ соединения между смежными композитными слоями). Одним из типов внутренних дефектов, заслуживающих пристального внимания, является отслоение. Отслоение присутствует, когда клей двух соседних слоев теряет свойства. Это обычно происходит во время воздействия температуры и/или деформации на структуру и вызвано высоким уровнем межслойного напряжения. Недостаток, который возникает из-за отслоений, заключается в невозможности обнаружить повреждение с помощью визуальных осмотров на основе графика состояния.

Ни один из существующих методов неразрушающего контроля не имеет абсолютной точности. Наиболее часто используемые методы основаны на ультразвуковых исследованиях, радиографии, инфракрасной термографии, методах направленной волны и волоконной оптике.

Ультразвуковой метод неразрушающего контроля предполагает распространение высокочастотного звука в диапазоне от 20 кГц до нескольких МГц в ПКМ. С помощью характеристик передаваемой или отраженной звуковой волны получают характеристики материала и выявляют дефекты. Ультразвуковой метод неразрушающего контроля особенно эффективен при обнаружении и оценке плоских дефектов, таких как расслоения в многослойных композитах. Ослабление ультразвуковых волн в среде может также отражать изменение внутреннего состояния материала (пористость, пустоты, плотность), вызванное процессом длительной эксплуатации.

Метод акустической эмиссии основан на явлении возникновения и распространения упругих колебаний (акустических волн) при деформации напряженного материала. Акустические волны обычно регистрируют с помощью высокочувствительных пьезоэлектрических датчиков. Сравнение скорости акустических волн, генерируемых на разных частотах, позволяет оценить и выявить местоположение расслоений.

Метод импульсного эха широко используется в качестве инструмента неразрушающего контроля. Один и тот же излучатель используется как в качестве источника, так и приемника. Ультразвуковая волна, отраженная от дефекта, регистрируется излучателем. По прошедшему времени между испускаемым импульсом и регистрацией ультразвуковой волны можно определить глубину дефекта. Традиционные методы ультразвукового контроля, такие как C-сканирование (автоматизированная система отображает поле сканирования, где разными цветами отмечены различные диапазоны значений амплитуды принятого сигнала), эффективны, но дорогостоящи и не могут проводиться постоянно.

Системы контроля на основе электрических приклеиваемых тензодатчиков являются совершенными, но требуют подвода электрического питания к точке измерения и при перепадах температуры снижают свою чувствительность. Альтернативным методом является использование оптоволоконных датчиков деформации. В отличие от электрических тензодатчиков, они не требуют подвода проводов, помехозащищены и искробезопасны.

Система встроенного мониторинга на основе оптоволоконных датчиков позволяет реализовывать на одном волокне до нескольких десятков датчиков. В качестве таких датчиков применяют оптическое волокно с периодическим по длине изменением показателя преломления светонесущей сердцевины (решеткой Брэгга) [15]. Период структуры и, соответственно, длина волны отраженного света изменяются при механическом сжатии или растяжении волокна. В результате пересчета смещения центральной длины волны в деформацию установлено, что смещение длины волны в 1,34 нм соответствует деформации 0,11% при нагрузке 1500 кг в зоне максимального изгибающего момента.

Известны примеры систем встроенного мониторинга на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР), с помощью которых контролируют напряженно-деформированное состояние материала и его температуру [16–18].

Волоконные брэгговские решетки в структуре ПКМ

Теме внедрения ВБР в композиционные материалы посвящено большое количество статей. Так, в работе [19] исследовано оптическое волокно малого диаметра (~40 мкм), покрытое полиимидной оболочкой (52 мкм), интегрированное в один слой ПКМ толщиной 125 мкм. Отмечено, что такие оптические волокна обладают механическими и оптическими свойствами, аналогичными свойствам обычных оптических волокон (диаметр сердцевины 50 мкм и диаметр оболочки 125 мкм), и не вызывают какого-либо снижения прочности композитов, когда они (оптические волокна) внедряются параллельно усиливающим волокнам в слоистых материалах.

На рис. 1 показано, что интегрированное волокно малого диаметра не увеличивает концентрацию напряжений в слое ПКМ и сохраняет исходную жесткость и толщину ПКМ.

Рис. 1. Традиционное оптическое волокно (а) и волокно малого диаметра (б), интегрированное в структуру углепластика

На рис. 2 показан образец ПКМ со слоями, уложенными по схеме [45°/-45°/0°/90°], с встроенным датчиком на основе волоконной брэгговской решетки толщиной 10 мм. По смещению центральной длины волны ВБР можно определить деформацию в определенной точке определенного слоя ПКМ, а по количеству пиков при нагрузке на растяжение и сжатие – деформацию связанных и расслоенных слоев соответственно [20].

Рис. 2. Образец из ПКМ c встроенным датчиком (ВБР)

Этот метод может быть также применен для обнаружения расслоений вокруг сосредоточенных по напряжению областей (заклепочные отверстия и др.). Поперечные трещины, расслоения и растрескивание матрицы материала идентифицированы в слоистых образцах углепластика с помощью обратного анализа спектра отражения [21, 22].

Следует отметить работу [23], посвященную исследованию решеток с линейно изменяющимся периодом (чирпированные ВБР). Благодаря трапециевидному спектру таких решеток любая неоднородность в структуре материала, например трещина, выделяется на спектре. Для экспериментальной проверки в структуру материала интегрировали чирпированную брэгговскую решетку длиной 50 мм с шириной спектра отражения 5 нм. В результате возникновения поперечных трещин на спектре ВБР образуются провалы, соответствующие их местоположению (рис. 3).

Рис. 3. Спектр чирпированной ВБР при наличии поперечных трещин в композитном образце

В России большой опыт внедрения оптоволоконных датчиков на основе брэгговских решеток в композиционный материал имеет ФГУП «ВИАМ». В своих работах авторы рассматривают возможные проблемы при измерении деформации конструкции из ПКМ, а также вопросы влияния интеграции оптоволокна на свойства ПКМ. На рис. 4 представлена зависимость показаний оптоволоконного датчика и тензодатчика от приложенной нагрузки.

Рис. 4. Сравнение значений деформации ВБР (○) и тензодатчика (●)

В результате испытаний, описанных в работах [24, 25], сделан вывод, что оптоволоконные датчики по точности сопоставимы с точностью измерения деформации с помощью тензодатчиков при комнатных температурах.

Метод акустического неразрушающего контроля на основе ВБР

В системах встроенного контроля на основе метода акустического неразрушающего контроля в зависимости от характеристик распространения ультразвуковых волн могут быть рассмотрены различные типы волн: сейсмические волны материала, продольные и/или поперечные, волны ползучести, волна Стоунли, волна Лова, рэлеевские волны и волны Лэмба. Основным критерием является геометрическая форма исследуемого элемента. Регистрацию волн Лэмба в структурном контроле можно выделить в отдельное направление с большим количеством публикаций, среди которых следует отметить работы [26–31]. В работах [32, 33] экспериментально подтверждается возможность обнаружения расслоения ПКМ с помощью волн Лэмба. Принцип работы основан на управляемой акустической волне с ее векторами распространения (волнами Лэмба), параллельными поверхности конструкции. Волны Лэмба являются подходящими для применения в системах встроенного контроля элементов конструкции летательных аппаратов из ПКМ, так как они способны распространяться на больших расстояниях с малым затуханием амплитуды.

Волна Лэмба возбуждается и принимается с помощью актюаторов (пьезоэлектрических пластин). Пьезоактюаторы применяются как для мониторинга ближнего поля (метод высокочастотного электромагнитного импеданса, толщинный метод), так и для мониторинга дальней зоны (метод эха, метод определения разницы между эталоном и материалом, метод фазированной решетки). Место появления трещины обычно находят с помощью определения разницы во времени между испускаемой и принимаемой волнами.

В работе [34] исследована стрингерная панель из слоистого композиционного материала и обнаружено, что параметры дефектов (размеры, тип, ориентация, расстояние до актюаторов) влияют на распространение волн Лэмба. В работе [35] проведено численное моделирование и экспериментально исследовано влияние ориентации трещин на сформированный отклик. Основной вывод, сделанный в этих работах, следующий: волны отражения, вызванные трещинами, уменьшают амплитуду исходной волны. Кроме того, волны, генерируемые параллельно росту трещины, имеют бо́льшую амплитуду, чем поперечные, а если длина трещины увеличивается, то амплитуда отраженных волн также увеличивается. Однако установлено, что минимальный предел обнаружения трещины составляет 10 мм.

Перспективным направлением неразрушающего контроля является метод акустического неразрушающего контроля на основе ВБР. Известно, что длина волны ВБР прямо пропорциональна деформации решетки. Если поля деформации, приложенные к ВБР, неоднородны, то результатом может являться как смещение резонансной длины волны решетки, так и ее уширение.

В работе [36] исследовалось влияние распространения волны Лэмба на показатель преломления сердцевины ВБР. Обнаружено, что волна Лэмба вызывает смещение резонансной длины волны решетки. В эксперименте генерировали волну Лэмба на частоте 2,25 МГц и исследовали ее влияние на длину волоконно-оптических датчиков длиной 1 и 12 мм. Результаты показывают, что чувствительность регистрации отраженного сигнала зависит от длины ВБР. Соотношение длины волны Лэмба и длины решетки можно выбирать от 1 до 4 в зависимости от необходимой чувствительности выявления расслоения [37].

На рис. 5 показан образец для испытания на усталость с установленной системой встроенного контроля на основе брэгговской решетки и пьезокерамических актюаторов. Во время испытания непрерывно контролировали частоту излучения волны Лэмба и резонансную длину волны ВБР.

В качестве основного метода опроса брэгговских решеток выбран метод опроса с применением малошумящего, узкого перестраиваемого лазерного диода и фотодетектора. Сдвиг резонансной длины волны прямо пропорционален мощности отраженного сигнала [38]. На рис. 6 приведена схема высокоскоростной оптической системы опроса.

Рис. 5. Система встроенного контроля на основе ВБР и пьезокерамических актюаторов

Рис. 6. Схема высокоскоростной оптической системы опроса (а) и принцип опроса датчиков (б)

Следует отметить публикацию японских ученых, занимающихся разработкой системы обнаружения повреждений с помощью ВБР-датчика с использованием пьезокерамических сенсоров [19]. Установлено, что моды S0 и A0 волны Лэмба появляются при частоте излучения 300 кГц, их длины волн равны 22,4 и 4,2 мм соответственно. В результате предварительных экспериментов сделан вывод, что длина брэгговской решетки должна составлять 1 мм для достижения наибольшего соотношения сигнал/шум.

Для обнаружения расслоения и смещения длины волны ВБР, вызванного расслоением, использована схема, приведенная на рис. 7. Длину расслоения между пьезоактюатором и пьезосенсором варьировали от 0 до 30 мм (с шагом 10 мм). На рис. 8 показаны формы сигналов, полученные датчиком ВБР при различной длине расслоения.

Рис. 7. Схема расположения пьезоактюатора, пьезосенсора и ВБР-датчика на образце из ПКМ

Рис. 8. Изменение принятого сигнала при длине расслоения 0 (а), 10 (б), 20 (в) и 30 мм (г)

Рис. 9. Изменение частоты детектируемой волны Лэмба по мере разрастания трещины

На рис. 9 показаны результаты эксперимента. Волны Лэмба, прошедшие через область расслоения различной длины, зарегистрированы ВБР-датчиком. При присутствии расслаивания в образце в принятом сигнале выделяют новую акустическую волну. Длина расслаивания может быть оценена на основе отношения амплитуд новой моды и моды A0 и времени прихода новой моды, регистрируемой ВБР-датчиком.

Авторы работы [39] представили прототип встроенной системы структурного мониторинга на основе акустического неразрушающего контроля с помощью фазосмещенного ВБР-датчика. При испытании композиционного материала на трехточечный изгиб, получили, что чувствительная встроенная система мониторинга может обнаруживать низкоамплитудные высокочастотные сигналы волны Лэмба от поперечных трещин. При точном измерении времени регистрации волны Лэмба на каждом датчике, определили положение поперечных трещин с погрешностью ˂4%. В результате показан высокий потенциал сбалансированной встроенной системы на основе фазосмещенного ВБР-датчика для обнаружения трещин в композиционных материалах.

В данной работе не рассматривался процесс влагопереноса в ПКМ с интегрированными сенсорами. В работе [40] отмечено изменение массы образцов из ПКМ при натурном экспонировании, моделирующем реальный цикл полета, вследствие повышения влагосодержания образцов в течение 12 мес. Процесс перемещения влаги в образцах с интегрированными ВБР и ее влияния на амплитуду волны Лэмба требует дальнейших исследований.

Заключение

Волоконно-оптические датчики в настоящее время являются перспективными для использования в системах встроенного контроля элементов конструкций из ПКМ. Для оценки деформации целесообразно использовать ВБР, интегрированные в слой материала. Для определения ударных нагрузок целесообразно использовать систему встроенного мониторинга на основе приклеиваемых волоконных решеток и пьезокерамических актюаторов, генерирующих продольные акустические волны определенной частоты. Перспективной разработкой также является обнаружение повреждений и расслоений ПКМ с помощью акустических волн Лэмба и ВБР.