Необходимо зарегистрироваться, чтобы получить доступ к полным текстам статей и выпусков журналов!
- Название статьи
- Построение оптоволоконной системы встроенного контроля авиационных конструкций, изготовленных с применением полимерных композиционных материалов
- Авторы
- Махсидов Владимир Владимирович makhsidov_vv@viam.ru, канд. техн. наук; начальник сектора, Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, Москва, Россия
Кашарина Леся Алексеевна admin@viam.ru, канд. техн. наук; ведущий инженер, Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, Москва, Россия
Смирнов Олег Игоревич admin@viam.ru, инженер, Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, Москва, Россия
Яковлев Николай Олегович admin@viam.ru, канд. техн. наук; начальник лаборатории, Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, Москва, Россия
- В разделе
- КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
- Ключевые слова
- конструкция планера самолета / система встроенного контроля / оптоволоконная система мониторинга конструкций / волоконная брэгговская решетка / полимерный композиционный материал
- Год
- 2019 номер журнала 1 Страницы 65 - 75
- Индекс УДК
- 681.586.5
- Код EDN
- Код DOI
- Финансирование
- Тип статьи
- Научная статья
- Аннотация
- Рассмотрена возможность создания отечественной оптоволоконной системы встроенного контроля авиационных конструкций на примере планера самолета, изготовленного с применением полимерных композиционных материалов (ПКМ). Отмечено, что система позволяет снизить эксплуатационные расходы, трудоемкость проведения плановых и внеплановых осмотров воздушного судна (ВС), значительно повысить точность оценки состояния конструкции планера из ПКМ, а следовательно, повысить безопасность полетов. Приведены задачи системы встроенного контроля, рассмотрены перспективные методы и средства ее построения, в том числе методы получения сигнала от оптоволоконных датчиков. Показано, что система позволит значительно сократить число осмотров или ускорить их за счет определения мест конструкции, требующих дополнительного инструментального осмотра, и исключения из осматриваемых зон исправно работающих ее участков. При использовании системы встроенного контроля ресурс конструкции определяется по ее фактическому состоянию, что будет способствовать прогнозированию ремонтов.
- Полный текст статьи
- Для прочтения полного текста необходимо купить статью
- Список цитируемой литературы
-
Нестеренко Г. И. Ресурс и живучесть самолетных конструкций // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2005. № 1. С. 106-118.
Boller C. Ways and options for aircraft structural health management // Smart Mater. Struct. 2001. V. 10. P. 432-439.
Селихов А. Ф., Лейбов В. Г., Нестеренко Г. И., Райхер В. Л. Методология и опыт обеспечения безопасности конструкции стареющих самолетов // Труды ЦАГИ. 1998. № 2631. С. 21.
Басов В. Н., Нестеренко Г. И., Нестеренко Б. Г., Петрусенко В. Г. Влияние длительной эксплуатации самолетов на прочностные характеристики материалов // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2009. № 141. С. 38-48.
Махсидов В. В., Резников В. А. Проекты, направленные на разработку технологии встроенного контроля конструкций из ПКМ // Новости материаловедения. Наука и техника. 2017. № 5-6 (28). С. 30-37.
Каблов Е. Н. Шестой технологический уклад // Наука и жизнь. 2010. № 4. С. 2-7.
Дориомедов М. С., Дасковский М. И., Скрипачев С. Ю., Шеин Е. А. Полимерные композиционные материалы в железнодорожном транспорте России // Труды ВИАМ. 2016. № 7. С. 12 [Электронный ресурс]. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 19.10.2017).
Каблов Е. Н. Основные итоги и направления развития материалов для перспективной авиационной техники: 75 лет. Авиационные материалы. - М.: ВИАМ, 2007. С. 20-26.
Тимошков П. Н., Хрульков А. В., Язвенко Л. Н. Композиционные материалы в автомобильной промышленности (обзор) // Труды ВИАМ. 2017. № 6. С. 12 [Электронный ресурс]. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 19.07.2018).
Ерасов В. С., Яковлев Н. О., Нужный Г. А. Квалификационные испытания и исследования прочности авиационных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 440-448.
Каблов Е. Н., Старцев О. В., Кротов А. С., Кириллов В. Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. III. Значимые факторы старения // Деформация и разрушение материалов. 2011. № 1. С. 34-40.
Ильичев А. В., Раскутин А. Е. Исследование влияния концентратора напряжений на напряженно-деформационное состояние углепластика методом корреляции цифровых изображений // Авиационные материалы и технологии. 2014. № 3. С. 62-66.
Старцев В. О., Махоньков А. Ю., Котова Е. А. Механические свойства и влагостойкость ПКМ с повреждениями // Авиационные материалы и технологии. 2015. № S1. С. 49-55.
Molent L., Agius J. Agile Military Aircraft, Chapter 98 in "Encyclopedia of Structural Health Monitoring", John Wiley & Sons, Ltd., 2009. P. 1-15.
Adams C. HUMS Technology, Avionics Magazine, 2012 [Электронный ресурс]. URL: http://www.aviationtoday.com /av/military/HUMS-technology_76209.html#VXbcJtLtlBc (дата обращения: 05.06.2015).
Ye Qiu, Quan-bao Wang, Hai-tao Zhao, Ji-an Chen, Yue-ying. Wang Review on composite structural health monitoring based on fiber Bragg grating sensing principle // J. Shanghai Jiaotong University (Science). 2013. V. 18. Is. 2. Р. 129-139.
Honglei Guo, Gaozhi Xiao, Nezih Mrad, Jianping Yao. Fiber Optic Sensors for Structural Health Monitoring of Air Platforms // Sensors. 2011. V. 11. P. 3687-3705.
Фирсов Л. Л., Юргенсон С. А. Принципы построения системы мониторинга технического состояния конструкции для авиационной конструкции // Прикладная фотоника. 2017. Т. 4. № 4. С. 279-295.
Федотов М. Ю., Гончаров В. А., Махсидов В. В., Шиенок А. М. Сенсоры для информкомпозитов // Материаловедение. 2015. № 1. С. 26-33.
Гуляев И. Н., Гуняев Г. М., Раскутин А. Е. Полимерные композиционные материалы с функциями адаптации и диагностики состояния // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 242-253.
Гуляев И. Н., Гуняев Г. М. Использование непрерывных армирующих волокон в качестве тензорезисторных сенсорных элементов // Авиационные материалы и технологии. 2010. № 2. С. 22-27.
Glisic B., Inaudi D. Fibre Optic Methods for Structural Health Monitoring. - John Wiley & Sons, Ltd. Southern Gate. Chichester. UK, 2007.
Мурашов В. В., Румянцев А. Ф. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов и методы их выявления. Ч. 1. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов // Контроль. Диагностика. 2007. № 4. С. 23-31.
Design and Airworthiness Requrements for Service Aircraft. Defence Standard 00-970, Part1/2. - UK Ministry of Defence: London. UK, 2007.
Aircraft Structural Integrity Program (ASIP). MIL-STD1530C (USAF). - Department of Defense Standard Practice. Washington, DC. USA, 2005.
Culshaw B., Kersey A. Fiber-optic sensing: A historical perspective // IEEE/OSA J. Lightw. Tech. 2008. V. 26. P. 1064-1078.
Connolly C. Fibre-optic-based sensors bring new capabilities to structural monitoring // Sens. Rev. 2006. V. 26. P. 236-243.
Раскутин А. Е., Махсидов В. В., Смирнов О. И., Кашарина Л. А. Мониторинг нагруженности композитной конструкции арочного моста на основе волоконно-оптических датчиков // Труды ВИАМ. 2018. № 3 (63). С. 49-59 [Электронный ресурс]. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 19.07.2018).
Махсидов В. В., Федотов М. Ю., Гончаров В. А., Сорокин К. В. Механические свойства полимерных композиционных материалов с интегрированным оптическим волокном // Деформация и разрушение материалов. 2014. № 9. С. 2-7.
Михайловский К. В., Базанов М. А. Измерение остаточных технологических деформаций в углепластике путем внедрения в него волоконных брэгговских решеток // Конструкции из композиционных материалов. 2016. № 2. С. 54-58.
Yoshino T., Kurosawa K., Itoh K., Ose T. Fiber-optic Fabry-Perot interferometer and its sensor applications // IEEE J. Quant. Elect. 1982. V. 4. P. 626-665.
Inaudi D. Combined static and dynamic monitoring of civil structures with long-gauge fiber optic sensor: Proceedings of IMAC XXIII Conference and Exposition on Structural Dynamics, Orlando, FL, USA. 2005. P. 3.
Philen D., White I., Kuhl J., Mettler S. Single-mode fiber OTDR: Experiment and theory // IEEE J. Quant. Elect. 2003. V. 18. P. 1499-1508.
Spirit D. M., Blank L. C. Raman-assisted long-distance optical time domain reflectometry // Elect. Lett. 2002. V. 25. P. 1687-1689.
Bao X., Webb D. J., Jackson D. A. 32-km distributed temperature sensor based on Brillouin loss in an optical fiber // Opt. Lett. 1993. V. 18. P. 1561-1563.
Васильев С. А., Медведков И. О., Королев И. Г., Божков А. С., Курков А. С., Дианов Е. М. Волоконные решетки показателя преломления и их применение // Квантовая электроника. 2005. Т. 35. № 12. С. 1085-1103.
Majumder M., Gangopadhyay T. K., Chakraborty A. K., Dasgupta K., Bhattacharya D. K. Fibre Bragg gratings in structural health monitoring - Present status and applications // Sens. Actuat. A. 2008. V. 147. P. 150-164.
Gangopadhyay T. Prospects for fibre Bragg gratings and Fabry-Perot interferometers in fibre-optic vibration sensing // Sens. Actuat. A. 2004. V. 113. P. 20-38.
Wild G., Hinckley S. Acousto-Ultrasonic optical fiber sensors: Overview and state-of-the-art // IEEE Sens. J. 2008. V. 8. P. 1184-1193.
Leduc D., Lecieux Y., Morvan P.-A., Lupi C. Architecture of optical fiber sensor for the simultaneous measurement of axial and radial strains // Smart Mater. Struct. 2013. V. 22. P. 9.
Mawatari T., Nelson D. A multi-parameter Bragg grating fiber optic sensor and triaxial strain measurement // Smart Mater. Struct. 2008. V. 17. P. 19.
Voet E., Luyckx G., De Waele W., Degrieck J. Multi-axial strain transfer from laminated CFRP composites to embedded Bragg sensor: II. Experimental validation // Smart Mater. Struct. 2010. V. 19. - 9 p.
Аношкин А. Н., Воронков А. А., Кошелева Н. А., Матвеенко В. П., Сероваев Г. С., Спаскова Е. М., Шардаков И. Н., Шипунов Г. С. Измерение неоднородных полей деформации встроенными в полимерный композиционный материал волоконно-оптическими датчиками // Изв. РАН. Механика твердого тела. 2016. № 5. С. 42-51.
Назиров М. Ф., Жуков Ю. А., Лыкова К. А. Измерение деформированного состояния образцов с помощью оптоволоконных датчиков, внедренных в структуру композиционного материала // Вопросы оборонной техники. Сер. 16. Технические средства противодействия терроризму. 2015. № 9-10. С. 95-101.
Махсидов В. В., Шиенок А. М., Иошин Д. В., Резников В. А. Измерение деформации материала с помощью волоконных брэгговских решеток (обобщающая статья) // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. № 11. С. 54-60.
Махсидов В. В., Федотов М. Ю., Шиенок А. М., Зуев М. А. К вопросу об интеграции оптоволокна в ПКМ и измерении деформации материала с помощью волоконных брэгговских решеток // Механика композиционных материалов и конструкций. 2014. Т. 20. № 4. С. 568-584.
Махсидов В. В., Яковлев Н. О., Ильичев А. В., Шиёнок А. М., Фирсов Л. Л. Определение деформации материала конструкции из ПКМ с помощью интегрированных оптоволоконных сенсоров // Механика композиционных материалов и конструкций. 2016. Т. 22. № 3. С. 402-413.
Kinet D., Mégret P., Goossen K. W., Liang Qiu, Heider D. Christophe Caucheteur Fiber Bragg Grating Sensors toward Structural Health Monitoring in Composite Materials: Challenges and Solutions // Sensors. 2014. V. 14. P. 7394-7419.
Process for using surface strain measurements to obtain operational loads for complex structures. Патент USA 7,715,994. Опубл. 11.05.2010.
Анискович В. А., Кутюрин В. Ю., Муханова Т. А., Саетгалиев Р. Р., Водопьянов В. А., Шумилин Н. В., Шумилин А. В., Луговцова О. Г. Определение деформаций сетчатой конструкции из углепластика с использованием оптоволоконных датчиков // Прикладная фотоника. 2017. Т. 4. № 4. С. 271-278.
Aldridge N., Foote P. D., Read I. Operational load monitoring for aircraft and maritime applications // Strain. 2000. V. 36. P. 123-126.
Measures R. M. Structural Monitoring with Fiber Optic Technology, 1st ed. - Academic Press. London. UK, 2004.
Chandler K., Ferguson S., Graver T., Csipkes A., Mendez A. On-line structural health and fire monitoring of a composite personal aircraft using an FBG sensing system // Proc. SPIE. 2008. V. 6933. Р. 69330H.
Takeda S., Okabe Y., Yamamoto T., Takeda N. Detection of edge delamination in CFRP laminates under cyclic loading using small-diameter FBG sensors // Composites Science and Technology. 2003. No. 63. P. 1885-1894.
Yoji Okabe, Shigeki Yashiro, Tatsuro Kosaka, Nobuo Takeda. Detection of transverse cracks in CFRP composites using embedded fiber Bragg grating sensors // Smart Mater. Struct. 2000. No. 9. P. 832-838.
Махсидов В. В., Резников В. А., Шиенок А. М., Иошин Д. В. Выявления дефектов материала с помощью интегрированных в его структуру волоконных брэгговских решеток (обзор) // Контроль. Диагностика. 2015. № 10. С. 17-22.
Wild G., Hinckley S. Fibre bragg grating sensors for acoustic emission and transmission detection applied to robotic NDE structural health monitoring: Proc. IEEE Sensors applications symposium. 2007. P. 1-6.
Masanori Takuma, Shigeyoshi Hisada, Kenichi Saitoh, Yoshimasa Takahashi, Yuuki Kobayashi, Akira Kadono, Atushi Murata, Satoshi Iwata, Toshinori Sasaki. Acoustic emission measurement by fibre bragg grating glued to cylindrical sensor holder // Advanc. Mat. Sci. Eng. 2014. V. 2014. - 12 p.
Whitlow T., Asamene K., Hudson L., Parker A., Sundaresan M. Monitoring damage growth in carbon/epoxy composite panels // Proc. SPIE. 2013. V. 8694. Р. 86940U-1.
Betz D. C., Thursby G., Culshaw B., Staszewski W. J. Acousto-ultrasonics sensing using fiber Bragg grating // Smart Mater. Struct. 2003. V. 12. P. 122-128.
Minardo A., Cusano A., Bernini R., Zeni L. G. Giordano M. Response of fiber Bragg gratings to longitudinal ultrasonic waves // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Control. 2005. V. 52. P. 304-312.
Luo Z. Q., Ye C. C., Cai Z. P., Dai X. Z., Kang Y., Xu H. Y. Numerical analysis and optimization of optical spectral characteriscs of fiber Bragg gratings modulated by a transverse acoustic wave // Appl. Opt. 2007. V. 46. P. 6959-6965.
Culshaw B., Thursby G., Betz D., Sorazu B. The detection of ultrasound using fiber-optic sensors // IEEE Sens. J. 2008. V. 8. P. 1360-1367.
Coppola G. Analysis of feasibility on the use of fiber Bragg grating sensors as ultrasound detectors // Proc. SPIE. 2001. V. 4328. P. 224-232.
Tsuda H., Lee J. R., Guan Y. S., Takatsubo J. J. Investigation of fatigue crack in stainless steel using a mobile fiber Bragg grating ultrasonic sensor // Opt. Fiber Tech. 2007. V. 13. P. 209-214.
Махутов Н. А., Фомин А. В., Иванов В. И., Пермяков В. Н., Васильев И. Е. Комплексная диагностика предельных состояний и раннего предупреждения аварийных состояний конструкций // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2013. № 2. С. 25-31.
Матвиенко Ю. Г., Васильев И. Е., Иванов В. И., Елизаров С. В. Акустико-эмиссионная диагностика процесса разрушения структуры композита при растягивающих, сжимающих и циклических нагрузках // Дефектоскопия. 2016. № 8. С. 30-46.
Betz D. C., Thursby G., Culshaw B., Staszewski W. J. Identification of structural damage using multifunctional Bragg grating sensors. I. Theory and implementation // Smart Mat. Struct. 2006. V. 15. P. 1305-1312.
Chen D., Shu C., He S. Multiple fiber Bragg grating interrogation based on a spectrum-limited Fourier domain mode-locking fiber laser // IEEE Photon. Tech. Lett. 2008. V. 33. P. 1395-1397.
Yamashita S., Asano M. Wide and fast wavelength-tunable mode-locked fiber laser based on dispersion tuning // Opt. Express. 2006. V. 14. P. 9299-9306.
Isago R., Nakamura K. A high reading rate fiber Bragg grating sensor system using a high-speed swept light source based on fiber vibrations // Meas. Sci. Tech. 2009. V. 20. P. 1-5.
Hongo A., Kojima S., Komatsuzaki S. Applications of fiber Bragg grating sensors and high-speed interrogation techniques // Struct. Control Health Monit. 2005. V. 12. P. 269-282.
Perez I., Cui H. L., Udd E. Acoustic emission detection using fiber Bragg gratings // Proc. SPIE 2001. V. 4328. P. 209-215.
Chuang K. C., Ma C. C. Pointwise fiber Bragg grating displacement sensor system for dynamic measurements // Appl. Opt. 2008. V. 47. P. 3561-3567.
Soejima H., Ogisu T., Yoneda H., Okabe Y., Takeda N., Koshioka Y. Demonstration of detectability of SHM system with FBG/PZT hybrid system in composite wing box structure // Proc. SPIE. 2008. V. 6932. Р. 69322E.
Каблов Е. Н., Старцев О. В., Медведев И. М., Шелемба И. С. Волоконно-оптические датчики для мониторинга коррозионных процессов в узлах авиационной техники (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2017. № 3 (48). С. 26-34.
Каблов Е. Н., Ерасов В. С., Панин С. В., Курс М. Г., Гладких А. В., Автаев В. В., Сорокина Н. И., Лукьянычев Д. А. Исследование совместного влияния механических нагрузок и климатических факторов на свойства материалов в составе крупногабаритной конструкции экспериментального отсека крыла после 4 лет испытаний: сб. докл. II Межд. науч.-техн. конф. "Коррозия, старение и биостойкость материалов в морском климате". - М.: ФГУП "ВИАМ", 2016. С. 6.
Махсидов В. В., Колобнев Н. И., Каримова С. А., Сбитнева С. В. Взаимосвязь структуры и коррозионной стойкости в сплаве 1370 системы Al-Mg-Si-Cu-Zn // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 1. С. 8-13.
Medvedev I. The development of optical fiber sensors for monitoring corrosion of aluminum alloys // EUROCORR 2017 - Corrosion control for safer living. 2015.
Shin-ichi Takeda, Takuhei Tsukada, Sunao Sugimoto, Yutaka Iwahori. Monitoring of water absorption in CFRP laminates using embedded fiber Bragg grating sensors // Composites. Part A. Applied Science and Manufacturing. 2014. V. 61. P. 163-171.
- Купить
- 500.00 руб
