Оценка остаточной прочности композитных изделий на основе структурно-феноменологической концепции повреждений и акустико-эмиссионной диагностики

Предложена структурно-феноменологическая концепция (СФК) мониторинга остаточной прочности изделий из композитных материалов. СФК разработана с учетом кинетики повреждений и разрушений полимерного композитного материала (ПКМ) на микро-, мезо- и макромасштабном уровнях, генерирующих импульсы акустической эмиссии (АЭ), регистрируемые приемными преобразователями антенной решетки. Устанавливая соответствие между происходящими разрушениями структуры композитного материала на разных масштабных уровнях и регистрируемыми при этом импульсами АЭ, их весовым содержанием, осуществляют мониторинг кинетики повреждений в режиме нагружения, а следовательно, контролируют остаточную прочность изделия. Разработан алгоритм и программное обеспечение (ПО), которые позволяли не только разделять регистрируемые сигналы АЭ на кластеры нижнего, среднего и верхнего энергетических уровней, соответствующие микро-, мезо- и макромасштабным разрушениям структуры композитного материала, но и вычислять активность АЭ и весовое содержание локационных импульсов в энергетических кластерах, т.е. ежесекундно наблюдать динамику происходящих изменений. Сопоставляя текущие параметры весового содержания локационных импульсов в энергетических кластерах с их пороговыми значениями, регистрируемыми при разрушении материала, контролируют остаточную прочность изделия в режиме его нагружения. Разработанная концепция, алгоритм и ПО апробированы при испытаниях элементарных и конструктивно-подобных образцов ПКМ в различных условиях нагружения. Приведен пример применения разработанной методики для выявления зон наиболее интенсивного накопления повреждений в панели фюзеляжа МС-21 при ступенчатом повышении сжимающей нагрузки. В ходе АЭ диагностики панели на ранней стадии нагружения удалось не только выявить область интенсивного накопления повреждений и разрушения структуры композитного материала, но и проследить кинетику повреждений на разных масштабных уровнях, т.е. контролировать уровень остаточной прочности панели в процессе ступенчатого сжатия.

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

2. Матвиенко Ю. Г. Модели и критерии механики разрушения. — М.: Физматлит, 2006. — 318 с.

3. Kukudzhanov V. N. Numerical continuum mechanics. — Berlin: De Gruyter, 2021. — 425 p.

4. Murakami S. Continuum damage mechanics: A continuum mechanics approach to the analysis of damage and fracture. — Dordrecht: Springer, 2012. — 402 p.

5. Czichos H. Handbook of technical diagnostics. — Berlin – Heidelberg: Springer Verlag, 2013. — 560 p. DOI: 10.1007/978-3-642-25850-3

6. Cherepanov G. P. Invariant Integrals in Physics. — Cham: Springer, 2019. — 259 p. DOI: 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 / УФН. 2012. Т. 55. № 12. С. 1260 – 1267. DOI: 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. DOI: 10.24411/1683-805X-2020-12001

9. Xiao-Su Yi, Shanyi Du, Litong Zhang. Composite Materials Engineering: Fundamentals of Composite Materials. Vol. 1. — Singapore: Springer, 2017. — 786 p.

10. Полилов А. Н. Экспериментальная механика композитов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 375 с.

11. 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. DOI: 10.18698/2308-6033-2020-7-1996

12. Ono K., Gallego A. Research and Applications of AE on Advanced Composites / Journal of acoustic emission. 2012. Vol. 30. P. 180 – 230.

13. Sause M. G. R. In situ Monitoring of Fiber-Reinforced Composites. — Cham: Springer, 2016. — 242 p. DOI: 10.1007/978-3-319-30954-5

14. Матвиенко Ю. Г., Васильев И. Е., Чернов Д. В. Исследование кинетики разрушения структурных связей однонаправленного ламината с применением акустической эмиссии и видеорегистрации / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 11. С. 45 – 61. DOI: 10.1134/S0020168520150145

15. Matvienko Yu. G., Vasil’ev I. E., Chernov D. V., and Elizarov S. V. Criterion parameters for assessing degradation of composite materials by acoustic emission testing / Russian Journal of Nondestructive Testing. 2018. Vol. 54. N 12. P. 811 – 819. DOI: 10.1134/S1061830918120070

16. 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. DOI: 10.1007/s00707-020-02866-6

17. Иванов В. И., Барат В. А. Акустико-эмиссионная диагностика. — М.: Спектр, 2017. — 368 с.

18. Бигус Г. А., Даниев Ю. Ф., Быстрова Н. А., Галкин Д. И. Основы диагностики технических устройств и сооружений. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 445 с.

19. Матвиенко Ю. Г., Васильев И. Е., Чернов Д. В. Применение акустической эмиссии и видеорегистрации для мониторинга кинетики повреждений при сжатии композитных образцов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 4. С. 45 – 61. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-4-61-70

20. Matvienko Y. G., Vasil’ev I. E., Ivanov V. I., Elizarov S. V. Acoustic-emission evaluation of the process of destruction of a composite material under tensile, compression, and cyclic loads / Russian journal of nondestructive testing. 2016. Vol. 52. N 8. P. 443 – 456. DOI: 10.1134/S1061830916080076

21. Matvienko Y. G., Vasil’ev I. E., Chernov D. V., Pankov A. V. Acoustic-Emission Monitoring of Airframe Failure under Cyclic Loading / Russian Journal of Nondestructive Testing. 2019. Vol. 55. N 8. P. 570 – 580. DOI: 10.1134/S1061830919080084

22. Васильев И. Е., Матвиенко Ю. Г., Чернов Д. В., Елизаров С. В. Мониторинг накопления повреждений в кессоне стабилизатора планера МС-21 с применением акустической эмиссии / Проблемы машиностроения и автоматизации. 2020. № 2. С. 118 – 141.

23. Матвиенко Ю. Г., Васильев И. Е., Чернов Д. В. Диагностика разрушений и повреждений акустико-эмиссионным методом / Приводы и компоненты машин. 2018. № 5. С. 13 – 18.

24. Makhutov N. A., Vasiliev I. E., Chernov D. V, Ivanov V. I. and Terent’ev E. V. Kinetics of Damage Accumulation and Failure in the Zones of Stress Raisers in Sample Rupture Tests / Russian Journal of Nondestructive Testing. 2021. Vol. 57. N 1. P. 31 – 42. DOI: 10.1134/S1061830921010095