Разработка методов пьезоэлектролюминесцентной и магнитострикционной дефектоскопии авиационных полимерных композиционных материалов с диагностирующими пьезоактивными частицами для локации и визуализации дефектов

Авторы

  • А.А. Паньков Пермский национальный исследовательский политехнический университет
  • П.В. Писарев Пермский национальный исследовательский политехнический университет
  • М.М. Шобей Пермский национальный исследовательский политехнический университет

DOI:

https://doi.org/10.7242/2658-705X/2019.3.8

Ключевые слова:

дефектоскопия, смарт-технологии, датчик, механолюминесцентный эффект, пьезорезонатор, оптоволокно, интегральное уравнение Фредгольма, электроупругость, численное моделирование

Аннотация

В Проекте разработаны новые пьезоэлектролюминесцентные оптоволоконные датчики для интеграции в композитные структуры с целью уточненного диагностирования и мониторинга пространственных распределенных скалярных и тензорных физико-механических полей, в частности: температуры давления и объемного деформированного состояния внутри нагруженных композитных конструкций по результатам обработки интенсивностей интегральных моно- или полихромных световых сигналов на выходе из оптоволокна датчика. Разработаны принципиальные схемы функционирования пьезоэлектролюминесцентных оптоволоконных датчиков и новые численные алгоритмы обработки информативных интегральных световых сигналов на выходах из оптоволокон. Информативный световой сигнал появляется как результат «механолюминесцентного эффекта», обусловленного взаимодействием пьезоэлектрического и электролюминесцентного слоев датчика. Далее световые сигналы передаются по оптоволокну к приемнику-анализатору; управляющие электрические сигналы на электродах позволяют находить локации неоднородностей диагностируемых полей по длине датчика. Представлены результаты численного моделирования «отсканированных» реальных распределений и функций плотностей распределений диагностируемых полей по длине датчиков; здесь функции плотностей распределений найдены как решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода с использованием новых алгоритмов обработки информативных интегральных световых сигналов на выходе из оптоволокна.

Поддерживающие организации
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 16-41-590726 «Разработка методов пьезоэлектролюминесцентной и магнитострикционной дефектоскопии авиационных полимерных композиционных материалов с диагностирующими пьезоактивными частицами для локации и визуализации дефектов».

Биографии авторов

  • А.А. Паньков, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
    доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ)
  • П.В. Писарев, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
    кандидат технических наук, доцент кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ
  • М.М. Шобей, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
    заведующий лабораториями кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ

Библиографические ссылки

  1. Fraden J. Handbook of Modem Sensors. - Springer-Verlag New York, 2004. - 589 p.
  2. Next Generation Sensors and Systems / Ed.: Mukhopadhyay, Subhas Chandra (Ed.). - Springer International Publishing, 2016. - 330 p.
  3. Fiber Optic Sensors / Ignacio R. Matias, Satoshi Ikezawa, Jesus Corres, Springer International Publishing, 2017. - 381 p.
  4. Sensors and Microsystems / Editors: Leone A., Forleo A., Francioso L., Capone S., Siciliano P., Di Natale C. Proceedings of the 19th AISEM 2017 National Conference, Springer International Publishing, 2018. - 330 p.
  5. Smart Sensors and MEMS / Editors: S. Nihtianov, A. Luque, Woodhead Publishing, 2018. - 604 p.
  6. Каблов Е.Н., Сиваков Д.В., Гуляев И.Н., Сорокин К.В., Федотов М.Ю., Дианов Е.М., Васильев С.А., Медведков О.И. Применение оптического волокна в качестве датчиков деформации в полимерных композиционных материалах // Все материалы. Энциклопедический справочник. - 2010. -№ 3. - С. 10-15.
  7. Шардаков И.Н., Созонов Н.С., Цветков Р.В. Экспериментально-теоретические основы автоматизированных систем деформационного мониторинга с использованием волоконно - оптических элементов // Вестник Пермского научного центра. - 2016. - № 4. - С. 91-95.
  8. Pan ’kov A.A. Mathematical model for diagnosing strains by an optical fiber sensor with a distributed Bragg grating according to the solution of a Fredholm integral equation // Mechanics of Composite Materials. - 2018. - № 4. - P. 513-522.
  9. Паньков А.А. Пьезоэлектролюминесцентный оптоволоконный датчик для диагностики напряженного состояния и дефектоскопии композитов // Механика композитных материалов. - 2017. - Т. 53. - № 2. - С. 325-344.
  10. Pan ’kov A.A. Piezoelectroluminescent optical fiber sensor for diagnostics of the stress state and defectoscopy of composites // Mechanics of Composite Materials. - 2017. - Vol. 53. - № 2. - P. 229-242 (Web of Science).
  11. Паньков А.А. Математическое моделирование пьезоэлектролюминесцентного эффекта и диагностика распределения давления по длине оптоволоконного датчика // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2016. - №4. - С. 259-272 (Scopus).
  12. Паньков А.А. Максвелл-вагнеровская релаксация электрических полей в пьезоэлектролюминесцентном оптоволоконном датчике вибродавления // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. - 2017. - № 11; http://jre.cplire.ru/jre/nov17/6/text.pdf.
  13. Паньков А.А. Математическая модель импульсного сканирования давления по длине пьезоэлектролюминесцентного оптоволоконного датчика // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2018. - № 1. - С. 73-82 (Scopus).
  14. Паньков А.А. Пьезоэлектролюминесцентный оптоволоконный датчик для диагностики объемного напряженного состояния в композитных конструкциях // Механика композитных материалов. - 2018. - Т. 54. - № 2. - С. 233-248.
  15. Pan ’kov A.A. A piezoelectroluminescent fiber-optical sensor for diagnostics of the 3D stress state in composite structures // Mechanics of Composite Materials. - 2018. - Vol. 54. - № 2. - P. 155-164 (Web of Science).
  16. Паньков А.А. Резонансная диагностика распределения температуры пьезоэлектролюминесцентным оптоволоконным датчиком по решению интегрального уравнения Фредгольма // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2018. - № 2. - С. 72-82 (Scopus).
  17. Паньков А.А. Резонансный пьезоэлектролюминесцентный оптоволоконный датчик температурного поля в композитных конструкциях // Механика композитных материалов. - 2019. - Vol. 55. - № 3. - P. 1-16.
  18. Pan ’kov A.A. Resonant piezoelectroluminescent fibre-optical sensor of the temperature field in composite designs // Mechanics of Composite Materials. - 2019. - Vol. 55. - № 3. - P. 1-16 (Web of Science).
  19. Pan ’kov A.A. Piezoelectroluminescent fiber-optic sensors for temperature and deformation fields // Sensors and Actuators A: Physical. - 2019. - Vol. 288. - P. 171-176 (Web of Science).
  20. Паньков А.А. Пьезоэлектролюминесцентный оптоволоконный датчик диагностирования деформационных полей в композитных конструкциях / Тез. докладов VII Всерос. науч. конф. с междунар. участием «Механика композиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред». - М:, 2017. - С. 143-145.
  21. Паньков А.А., Шобей М.М. Оптоволоконные датчики диагностирования композитных конструкций / Тез. докладов XVIII Всерос. науч.-технич. конф. «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации», - Пермь, 2017. - С. 201-204.
  22. Паньков А.А., Писарев П.В. Численный расчет в ANSYS информативных и управляющих передаточных коэффициентов пьезоэлектролюминесцентного оптоволоконного датчика / Тез. докладов XVIII Всерос. науч.-технич. конф. «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации». - Пермь, 2017. - С. 198-201.
  23. Паньков А.А., Писарев П.В. Численная модель в ANSYS поверхностного пьезоэлектролюминесцентного оптоволоконного датчика мембранных и моментных деформаций пластин / Тез. докладов Всерос. науч.-технич. конф. «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации». - Пермь, 2018. - C. 393-395.
  24. Паньков А.А., Шобей М.М.Численная модель осесимметричной стационарной задачи электроупругости пьезоэлектролюминесцентного оптоволоконного датчика вибродавления / Тез. докладов Всерос. науч.-технич. конф. «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации», - Пермь, 2018. - C. 395-397.
  25. Паньков А.А. Патент РФ № 2630537 от 11.09.2017.
  26. Паньков А.А. Патент РФ № 2643692 от 05.02.2018.
  27. Паньков А.А. Патент РФ № 2664684 от 21.08.2018.
  28. Паньков А.А, Аношкин А.Н. Патент РФ № 2670220 от 19.10.2018.
  29. Паньков А.А. Патент РФ № 2684001 от 03.04.2019.
  30. Паньков А.А. Патент РФ № 2690416 от 03.06.2019.
  31. Паньков А.А. Патент РФ № 2690732 от 05.06.2019.
  32. Паньков А.А. Заявка на изобретение РФ № 2018145674 от 21.12.2018 г.

Загрузки

Опубликован

2019-10-14

Выпуск

№ 3 (2019)

Раздел

Исследования: теория и эксперимент

Как цитировать

Паньков, А., Писарев, П., & Шобей, М. (2019). Разработка методов пьезоэлектролюминесцентной и магнитострикционной дефектоскопии авиационных полимерных композиционных материалов с диагностирующими пьезоактивными частицами для локации и визуализации дефектов. Вестник Пермского федерального исследовательского центра, 3, 78-85. https://doi.org/10.7242/2658-705X/2019.3.8