МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВСТРАИВАЕМОГО ОПТОВОЛОКОННОГО TFBGS-ДАТЧИКА С НАКЛОННЫМИ БРЭГГОВСКИМИ РЕШЕТКАМИ ДЛЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СЛОЖНОГО ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

Сведения об авторе
  • Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация

Аннотация

Разработаны математические модели функционирования и определены численные значе- ния информационных передаточных коэффициентов новых встраиваемых оптоволоконных TFBGs-датчиков (Tilted Fiber Bragg Gratings) с наклонными брэгговскими решетками для диа- гностирования сложного напряженно-деформированного состояния внутри нагруженных поли- мерных композитных конструкций. Оптоволоконные TFBGs-датчики имеют вид кабеля, в котором шесть однонаправленных световодов со встроенными различно-наклоненными брэгговскими решетками размещены с фиксированным взаимным, например, гексагональным расположением в протяженном цилиндрическом сплошном полимерном корпусе датчика. Различные простран- ственные ориентации отражающих поверхностей для различных световодов были заданы через координаты некомпланарных нормалей к этим поверхностям. Численное моделирование де- формационных полей в элементах оптоволоконного TFBGs-датчика осуществлено для расчет- ной области «композит/встроенный датчик» в рамках линейной теории упругости. Представлены цветовые эпюры распределений различных компонент поля деформаций по серединному попе- речному сечению расчетной области при соответствующих простых случаях ее макродеформи- рования и даны численные значения осредненных по области каждого световода компонент тензора деформаций. Далее значения компонент осредненных по световодам деформаций использованы для вычисления осевых деформаций вдоль некомпланарных векторов – нормалей к отражающим поверхностям наклонных брэгговских решеток. В результате найдены численные значения искомых информационных передаточных коэффициентов оптоволоконного TFBGs- датчика с учетом заданных ориентаций отражающих поверхностей наклонных брэгговских реше- ток световодов датчика. Таким образом, задача диагностирования сложного деформированного состояния внутри нагруженной полимерной композитной конструкции в локальной окрестности встроенного в нее оптоволоконного TFBGs-датчика сводится к решению системы линейных ал- гебраических уравнений относительно искомых шести независимых компонент тензора макро- деформаций этой окрестности по измеряемым спектрам отражений световодов датчика.

Ключевые слова

встраиваемый оптоволоконный TFBG-датчикнаклонная брэгговская решеткаполимерный композитобъемное напряженно-деформированное состояниечисленное моделирование

Литература

  1. 1.Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник / Дж. Фрайден. – М.: Техносфера, 2005. – 592 с. Scholar
  2. 2.Качура, С.М. Перспективные оптоволоконные датчики и их применение (обзор) / С.М. Качура, В.И. Постнов // Труды ВИАМ. – 2019. – № 5. DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-5-52-61 Scholar
  3. 3.Волоконные брэгговские решетки и мультипликатив- ные датчики на их основе: учебное пособие для вузов / А.А. Кузнецов, А.Ж. Сахабутдинов, И.И. Нуреев, В.И. Ар- темьев; под ред. Морозова О.Г. – Казань: Изд-во КНИТУ- КАИ, 2020. – 108 с. Scholar
  4. 4.Сорокин, К.В. Мировые тенденции развития распреде- ленных волоконно-оптических сенсорных систем (Обзор) / К.В. Сорокин, В.В. Мурашов // Авиационные материалы и технологии. – 2015. – № 3 (36). – С. 90–94. Scholar
  5. 5.Уорден, К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции / К. Уорден. – М.: Техносфера, 2006. – 223 с. Scholar
  6. 6.Троицкий, В.А. Неразрушающий контроль качества композиционных материалов / В.А. Троицкий, М.Н. Карма- нов, Н.В. Троицкая // Техническая диагностика и неразрушаю- щий контроль. – 2014. – № 3. – С. 29–33. Scholar
  7. 7.Alvarez-Montoya, J. In-flight and wireless damage detection in a UAV composite wing using fiber optic sensors and strain field pattern recognition / J. Alvarez-Montoya, A. Carvajal-Castrillón, J. Sierra-Pérez // Mechanical Systems and Signal Processing. – 2020. – Vol. 136. – P. 1–26. DOI: 10.1016/j.ymssp.2019.106526 Scholar
  8. 8.Возможности сенсорных систем и интеллектуальных ПКМ на их основе / М.Ю. Федотов, К.В. Сорокин, В.А. Гон- чаров, А.М. Шиенок, П.В. Зеленский // Все материалы. Эн- циклопедический справочник. – 2013. – №2. – С. 18–23. Scholar
  9. 9.Применение оптического волокна в качестве датчиков деформации в полимерных композиционных материалах / Е.Н. Каблов, Д.В. Сиваков, И.Н. Гуляев, К.В. Сорокин, М.Ю. Федотов, Е.М. Дианов, С.А. Васильев, О.И. Медведков // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2010. – № 3. – С. 10-15. Scholar
  10. 10.Наймушин, И.Г. Численный анализ деформационных процессов в оптоволоконном датчике / И.Г. Наймушин, Н.А. Труфанов, И.Н. Шардаков // Вестник Пермского нацио- нального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2012. – № 1. – С. 104–116. Scholar

Другие статьи выпуска

Весь выпуск (№ 2, 2025)
Скачать PDF

Информация о статье

Опубликована
30.06.2025
В выпуске
30.06.2025
Выпуск
№ 2 (2025)
Поделиться