Структурно-феноменологическая концепция мониторинга несущей способности элементов конструкций из композитных материалов

Целью представленной статьи является демонстрация возможностей разработанной в Институте машиноведения им. А.А. Благонравова РАН методологии мониторинга кинетики повреждений и оценки несущей способности высоконагруженных композитных элементов конструкций с применением метода акустической эмиссии. Предложенная методология реализована при усталостном испытании авиационной панели в виде сложной гибридной конструкции с обшивкой из слоистого композита и сотовой внутренней структурой из алюминиевой фольги с полимерным наполнителем, которая в зонах захватов имеет сплошную слоистую структуру. Усталостные испытания панели проведены при частоте 4 Гц отнулевого цикла нагружения с амплитудой 145 кН. Для регистрации процессов накопления повреждений использовали установленные на панели преобразователи R15 –AST фирмы «Mistral» (США) и восьмиканальную акустико-эмиссионную систему A-line 32D производства ООО «Интерюнис–ИТ». Сопоставление весового содержания локационных импульсов с их пороговыми значениями в энергетических кластерах, характеризующих кинетику микро-, мезо- и макроповреждений структуры композитного материала, позволило установить несущую способность авиационной панели на соответствующих стадиях кинетики повреждений данного материала. Приведены результаты акустико-эмиссионной диагностики исследованной авиационной панели в процессе циклического нагружения, включающие координатную локацию источников акустической эмиссии, накопление акустико-эмиссионных событий каналами, динамику изменения парциальной активности и весового содержания локационных импульсов на стадиях эволюции повреждений композитного материала. Таким образом, в процессе акустико-эмиссионной диагностики панели удалось не только установить зоны интенсивного накопления повреждений в гибридной структуре панели, но и контролировать фактический уровень несущей способности, определяя степень ее поврежденности на разных масштабно-структурных уровнях в процессе циклического нагружения. Рассмотренная в статье методология применения акустико-эмиссионной диагностики для мониторинга кинетики повреждений и контроля фактического состояния несущей способности высоконагруженных композитных элементов конструкций открывает новые возможности, существенно расширяющие исследовательский потенциал метода акустической эмиссии.

1. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. 2-е изд., стереотип. М.: Наука, 2014. 752 с.

2. Матвиенко Ю.Г. Модели и критерии механики разрушения. М.: Физматлит, 2006. 328 с.

3. Kukudzhanov V.N. Numerical continuum mechanics. Berlin, 2021. 447 p.

4. Murakami S. Continuum damage mechanics: a continuum mechanics approach to the analysis of damage and fracture // Engineering, Engineering (R0). Dordrecht: Springer, 2012. Vol. 92. Iss. 6. Р. 402. https://doi.org/10.1007/978-94-007-2666-6.

5. Czichos H. Handbook of technical diagnostics: fundamentals and application to structures and systems // Engineering, Engineering (R0). Berlin – Heidelberg: Springer – Verlag, 2013. 560 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-25850-3.

6. Cherepanov G.P. Invariant Integrals in Physics // Physics and Astronomy. Cham: Springer, 2019. 259 р. https://doi.org/10.1007/978-3-030-28337-7.

7. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Нелинейные волновые процессы в деформируемом твердом теле как многоуровневой иерархически организованной системе // Успехи физических наук. 2012. Vol. 182. Р. 1351–1357. https://doi.org/10.3367/UFNr.0182.201212i.1351.

8. Егорушкин В.Е., Панин В.Е., Панин А.В. О физической природе пластичности // Физическая мезомеханика. 2020. Т. 23. № 2. С. 5–14. https://doi.org/10.24411/1683-805X-2020-12001.

9. Makhutov N., Nadein V., Gadenin M., Reznikov D., Risk and industrial safety // Reliability: Theory & Applications. 2022. Vol. 17. № 3. P.138–143. https://doi.org/10.24412/1932-2321-2022-366-138-143.

10. Лепихин А.М., Морозов Е.М., Махутов Н.А., Лещенко В.В. Возможности оценки вероятностей разрушения и допустимый размеров дефектов элементов конструкций по критериям механики разрушения // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 3. С. 41–50. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2022-88-3-41-50.

11. Лепихин А.М., Махутов Н.А., Шокин Ю.И., Юрченко А.В. Концепция риск-анализа технических систем с использованием цифровых двойников / Вычислительные технологии. 2020. Т. 25. № 4. С. 99 –113. https://doi.org/10.25743/ICT.2020.25.4.009.

12. Yi Xiao-Su, Du Shanyi, Zhang Litong. Composite materials engineering // Fundamentals of Composite Materials. Vol. 1. Singapore: Springer, 2018. 786 p.

13. Matvienko Y.G., Vasil’ev I.E., Chernov D.V. Damage and failure of unidirectional laminate by acoustic emission combined with video recording // Acta Mechanica. 2021. Vol. 232. P. 1889–1900. https://doi.org/10.1007/s00707-020-02866-6.

14. Олейников А.И., Кузьмина Т.А. Упруго-прочностные характеристики монослоев in situ в композиционном пакете // Инженерный журнал: наука и инновации. 2020. № 7. С. 4–14. https://doi.org/10.18698/2308-6033-2020-7-1996.

15. Ono K., Gallego A. Research and applications of AE on advanced composites // Acoustic Emission: Springer Handbook of Acoustics / eds. T.D. Rossing. New York: Springer, 2014. Р. 1209–1229.

16. Sause M.G.R. In situ monitoring of fiber-reinforced composites // Chemistry and Materials Science. Cham: Springer, 2016. Р. 242. https://doi.org/10.1007/978-3-319-30954-5.

17. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Исследование кинетики разрушения однонаправленного ламината с применением акустикой эмиссии и видеорегистрации // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 11. С. 45–61. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-11-45-61.

18. Matvienko Y.G., Vasil’ev I.E., Chernov D.V. Damage and failure of unidirectional laminate by acoustic emission combined with video recording // Acta Mechanica. 2021. Vol. 232. P. 1889–1900. https://doi.org/10.1007/s00707-020-02866-6.

19. Махутов Н.А., Матвиенко Ю.Г., Иванов В.И., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Исследование на разрыв армирующих волокон и однонаправленного ламината с применением акустической эмиссии // Приборы и техника эксперимента. 2022. № 2. С. 109–117. https://doi.org/10.31857/S003281622202001X.

20. Матвиенко Ю.Г., Махутов Н.А., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Иванов В.И., Елизаров С.В. Оценка остаточной прочности композитных изделий на основе структурнофеноменологической концепции повреждений и акустико-эмиссионной диагностики // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 1. С. 69–81. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2022-88-1-I-69-81.