CC BY
83
УДК 620:191.33:681.7.624.012
Н.Р. Рахимов, А.Н. Серьезное, Б.Н. Рахимов
СГГА, СибНИА им. С.А. Чаплыгина, Новосибирск
ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
N.R Rakhimov, A.N. Seryoznov, B.N. Rakhimov Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
OPTOELECTRONIC SYSTEM FOR MONITORING FOR COMPOSITE CONSTRUCTION THE STATES OF FLYING VEHICLES
The paper tells about the structure of the optical fiber, about the movement of light along the optical fiber and designing the optoelectronic system.
В настоящее время процесс контроля состояния композитных конструкций летательных аппаратов, работающих в условиях высоких нагрузок, основывается, главным образом, на регулярных визуальных технических осмотрах и личном опыте специалиста, проводящего осмотр. При проведении осмотра также могут применяться вспомогательные методы, например: ультразвуковое зондирование, рентгенография, акустическая
эмиссия. Однако эти методы ориентированы на разные задачи контроля, являются довольно трудоемкими и требуют высокой квалификации персонала для интерпретации результатов измерений.
По причинам, указанным выше, в мире растет интерес к методам, которые позволяют осуществлять, постоянно или непрерывно, мониторинг целостности конструкции или, другими словами, - контроль “состояния” или “здоровья” механической конструкции или инженерного сооружения гражданского назначения [1], в процессе изготовления, установки и эксплуатации. В этой связи представляет значительный интерес возможность использования оптоволоконных датчиков [2] в качестве средства контроля, поскольку эти устройства являются совместимыми - операционной и механически - с композиционным материалом и функциональной спецификацией системы.
Сигнал, проходящий по оптическому волокну, в высшей степени нечувствителен к вредным электромагнитным воздействиям. Соответственно, отпадает необходимость применения дорогостоящего и громоздкого электромагнитного экранирования даже в тех местах, где имеются источники сильного электромагнитного излучения (например, в силовых установках). Оптические волокна имеют достаточно широкую полосу пропускания сигнала, что позволяет использовать их в большом количестве приложений. Они также могут одновременно выполнять функции датчика и проводника сигнала измерений (оптоволоконные каналы передачи данных). Применяя метод мультиплексирования, можно размещать несколько датчиков в одном оптическом волокне.
На практике задача мониторинга механического поведения конструкции или силового элемента влечет за собой необходимость непрерывного наблюдения отдельных или всех её (его, элемента) свойств. Этот процесс
может включать поиск возможных повреждений или измерение механических, физических или химических характеристик материала - таких, как деформация, давление, вибрация, температура, коррозия, влажность и др.
Экспериментальные работы по разработке систем мониторинга макрообъектов с применением волоконно-оптических датчиков были разбиты на следующие циклы испытаний:
Испытания оптоэлектронной системы с применением волоконнооптических датчиков для контроля усилия (давления).
Испытания волоконно-оптического световода на поперечные нагрузки в плоскости.
Испытания волоконно-оптического датчика деформаций на базе многомодового и одномодового волоконно-оптического световода.
Испытания волоконно-оптического датчика предразрушения.
Испытания оптоэлектронной системы для определения предразрушения конструкций летательных аппаратов с помощью волоконных световодов.
С точки зрения контролируемых параметров экспериментальные исследования были направлены на создание систем, позволяющих контролировать следующие параметры объекта:
Деформации (растяжение, сжатие);
Перемещения;
Трещинообразование;
Предразрушения.
На данный момент в арсенале лаборатории ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина» присутствуют волоконно-оптических датчик деформаций амплитудного типа, датчик предразрушений а также волоконно-оптический датчик влажности.
В данной работе приведены результаты экспериментального исследования механических характеристик оптоволокна, с целью использования его в качестве чувствительного элемента датчика для обнаружения, регистрации зарождения и распространения усталостных трещин элементов композитных конструкций летательных аппаратов
В основном исследованы кварцевые волокна, уровень затухания в которых при длине волны 0,85 мкм составляет 3 дБ/км.
Также, исследовались полимерные волокна. Они имеют малый удельный вес, большую гибкость при относительно большом диаметре, механическую прочность, высокую технологичность. Достигнутое минимальное затухание при длине волны 0,66 мкм - 20 дБ/км [3].
Задачей исследования является повышение достоверности и обеспечение возможности определения скорости распространения трещины в композитных конструкций летательных аппаратов.
Поставленная задача решается [4] использованием полимерного световода, намотанного в виде катушки (соленоида), намотанной на многоугольную твердую основу и жестко приклеенной к поверхности перпендикулярно ожидаемому направлению распространения трещины. При раскрытии трещины сила натяжения, действующая на виток оптоволокна,
деформирует его, вызывая изменение изгибных потерь проходящего света. Изменение сигнала фиксируется оптическим тестером.
Поставленная задача решается использованием полимерного световода, намотанного в виде катушки (рис. 1), намотанной на многоугольную твердую основу и жестко приклеенной к поверхности перпендикулярно ожидаемому направлению распространения трещины, как указано в рис. 1 (1) со следующими условными обозначениями: 1 - испытываемая конструкция, к которой появилась трещина, 2 - катушка, намотанной на треугольную твердую основу, 3 - намотанный полимерный световод, 4 - место закрепления световода, 5 - светоизлучающий диод (СИД), 6 - Оптический тестер.
Рис. 1. Световод в виде катушки намотанной на многоугольную твердую основу и жестко приклеенной к поверхности перпендикулярно ожидаемому направлению распространения трещины
Рис. 2. Зависимость мощности излучения от прямого развития трещин:
^ - в треугольных; И - четырехугольных; ^ - пятиугольных основах витки
На основе обсуждения, приведенного выше, должно быть понятно, что (инструментальный) контроль состояния должен стать ключевой компонентой процесса проектирования конструкции любого назначения. Главный выигрыш от внедрения систем реального времени для контроля (мониторинга) состояния конструкций можно кратко сформулировать как улучшение эффективности, снижение затрат и повышение безопасности эксплуатации конструкций.
Успешное внедрение методов контроля (мониторинга) применительно к композитным конструкциям поможет созданию нового поколения воздушных судов, которые будут более безопасными, более легкими, более эффективными и более приспособленными к техническому обслуживанию и летной эксплуатации.
В области космической техники это позволит создавать космические платформы, которые будут самостоятельно осуществлять контроль на наличие утечек избыточного давления воздуха, нежелательных вибраций, ненормального роста температурных отклонений и отклонений от заданной геометрической формы. В области ветроэнергетики это позволит проектировать лопатки ветряных турбин, имеющих меньший вес, большие размеры и более высокий к.п.д. Таким образом, новые методы позволят устранить чрезмерные инженерные допуски при проектировании и одновременно повысить экономическую ценность конструкции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. J. Dakin, and B. Culshaw, “Оптоволоконные датчики: применение, анализ и тенденции развития”, Vol. 4, Artech House, 1997.
2. R.M. Measures, “Мониторинг состояния конструкций с помощью оптоволоконной технологии”, Academic Press, 2001.
3. Рахимов Н.Р. Применение оптического волокна в системе оценки усталостной повреждаемости элементов конструкций / Изв. вузов. Приборостроение, 2005. Т. 48, № 1. - С. 39-43.
4. Пат. 28(034466) РФ. Способ определения мест предразрушения конструкций / Рахимов Н.Р., Серьезнов А.Н. Опубл. 20.10.2003 г.
© Н.Р. Рахимов, А.Н. Серьезнов, Б.Н. Рахимов, 2008
