Численное исследование вибрационных процессов в композитных материалах с целью построения системы контроля расслоений
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.4.37Ключевые слова:
композитные материалы, расслоение, дефектоскопия, вибрационные методы, численное моделированиеАннотация
На сегодняшний день композитные материалы, благодаря ряду особенностей (высокая удельная прочность, низкий вес) являются одними из самых востребованных материалов, используемых при создании объектов широкого круга назначения. Высокие современные нормы безопасности требуют своевременного контроля появления и развития дефектов, в частности, расслоений. В связи с этим разработке и совершенствованию методов дефектоскопии уделяется пристальное внимание. В настоящей работе представлено численное исследование возможности обнаружения и локализации расслоений в конструкциях, изготовленных из слоистых композитных материалов, в предположении применения вибрационных подходов. Предлагаемый подход основан на возбуждении колебаний с повышенной амплитудой в области дефекта. Это осуществимо благодаря появлению собственных частот колебаний, при которых наибольшая амплитуда локализуется именно в этом месте. В ходе первого этапа численных экспериментов выявлено, что на подобные собственные частоты слабо влияет местоположение дефекта в конструкции, но наблюдается их сильная взаимосвязь с размером расслоения. На следующем этапе для достоверного описания вибрационных процессов в конструкции проведено моделирование вынужденных установившихся колебаний с учетом необходимых диссипативных параметров композитного материала. Частота внешнего воздействия выбиралась в соответствии с собственной частотой колебаний, характерной для дефекта, полученной из модального анализа. Результаты проделанных расчетов показали существенное по сравнению с бездефектной конструкцией увеличение амплитуды колебаний в области расслоения при условии правильного подбора частоты внешнего воздействия. Проверена эффективность подхода в зависимости от удаленности места приложения вынуждающей колебания силы от зоны расслоения. Предлагаемый метод контроля дефектов позволяет обосновать возможность создания на основе вибрационных процессов системы обнаружения расслоений в композитных материалах и определить ее основные параметры.
Скачивания
Библиографические ссылки
Staab G.H. Laminar composites. - Butterworth Heinemann, Boston, 1999. - 314 p.
2. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1988. - 272 с.
3. Adams D.E. Health monitoring of structural materials and components. - John Wiley & Sons Ltd, Chichester, 2007. - 460 p.
4. Stepinski T., Uhl T., Staszewski W. Advanced structural damage detection: from theory to engineering applications. - John Wiley & Sons Ltd, 2013. - 352 p.
5. Verma S.K., Bhadauria S.S., Akhtar S. Review of nondestructive testing methods for condition monitoring of concrete structures // J. of Constr. Eng. - 2013. - No. 4. - P. 1-11.
6. Fan W., Qiao P. Vibration-based damage identification methods: a review and comparative study // Struct. Health. Monit. - 2011. - Vol. 10, no. 1. - P. 83-111.
7. Asnaashari E., Sinha J.K. Crack detection in structures using deviation from normal distribution of measured vibration responses // J. Sound Vib. - 2014. - Vol. 333, no. 18. - P. 4139-4151.
8. Quaranta G., Carboni B., Lacarbonara W. Damage detection by modal curvatures: numerical issues // J. Vib. Control. - 2014. - Vol. 22, no. 7. - P. 1913-1927.
9. Bykov A. A., Matveenko V. P., Serovaev G. S Shardakov I. N., Shestakov A.P. Mathematical Modeling of Vibration Processes in Reinforced Concrete Structures for Setting Up Crack Initiation Monitoring // Mech. Solids. - 2015. - Vol. 50, no. 2. - P. 160-170.
10. Bykov A. A., Matveenko V. P., Shardakov I. N., Shestakov A. P. Shock wave method for monitoring crack repair processes in reinforced concrete structures // Mech. Solids. - 2017. - Vol. 52, no. 4. - P. 378-383.
11. Raghavan A., Cesnik C.E.S. Review of guided-wave structural health monitoring // Shock Vib. Dig. - 2007. - Vol. 39, no. 2. - P. 91-114.
12. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. - М.: Наука, 1966. - 169 с.
13. Morassi A., Vestroni F. Dynamic methods for damage detection in structures. - Springer, 2008. - 221 p.
14. Qiao P., Lestari W., Shah M.G., Wang J. Dynamics-based damage detection of composite laminated beams using contact and noncontact measurement systems // J. Compos. Mater. - 2007. - Vol. 41, no. 10. - P. 1217-1252.
15. Michaels J.E. Detection, localization and characterization of damage in plates with an in situ array of spatially distributed ultrasonic sensors // Smart Mater. Struct. - 2008. - Vol. 17, no. 3. - 035035.
16. Zhang Z., Shankar K., Ray T., Morozov E.V., Tahtali M. Vibration-based inverse algorithms for detection of delamination in composites // Compos. Struct. - 2013. - Vol. 102. - P. 226-236.
17. Ермолов И.Н., Алешин Н.П., Потапов А.И. Неразрушающий контроль. М.: Высшая школа, 1991. - Кн. 2. Акустические методы контроля.- 283 с.
18. Serovaev G.S., Matveenko V.P. Numerical study of the response of dynamic parameters to defects in composite structures // Frattura ed Integrità Strutturale. - 2016. - No. 38. - P. 392-398.
19. Oshmarin D.A., Serovaev G.S., Shestakov A.P. Evaluation of the applicability of vibrational methods for monitoring the mechanical state of composite structures // AIP Conf. Proc. - 2016. - Vol. 1785. - 040043.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2017 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.