Monitorizarea activă a sănătății structurilor compozite groase de piezo încorporat și montat la suprafață
Abstract
Este prezentată o abordare eficientă pentru un strat piezo-diagnostic încorporat într-un material compozit gros. Eficacitatea abordării este evaluată în comparație cu stratul montat la suprafață. Producția propusă atenuează dificultățile asociate cu tăierea muchiilor compozitelor la încorporarea firelor. Tehnica de impedanță electromecanică este utilizată pentru a accesa integritatea procesului de legare a senzorilor piezoelectrici. Comparațiile undelor ghidate cu ultrasunete se fac între straturile de diagnostic încorporate și montate la suprafață și pătrunderea lor prin și peste grosimea compozitelor. Sunt investigate influențele de temperatură cu intervalul de la -40 ° C până la 80 ° C pe undele ghidate încorporate și montate la suprafață. Se efectuează o investigație cu privire la relația dintre amplitudine și timpul de zbor cu temperatura la diferite frecvențe de excitație. Temperatura are efecte semnificative, dar diferite asupra amplitudinii și schimbării de fază a undelor ghidate pentru stratul încorporat comparativ cu stratul montat la suprafață. Un vibrometru laser Doppler este utilizat pentru a identifica aderența albastră și daunele cauzate de impact. Atât straturile încorporate, cât și cele montate la suprafață s-au dovedit a fi un mijloc eficient de generare a dispersiei undelor detectabile în urma deteriorării.
1. Introducere
În ultimele decenii, compozite groase, în principal componente structurale care au sarcină, au luat un rol din ce în ce mai semnificativ în aplicațiile aeronautice [1,2]. Sunt utilizate pe scară largă, în special în structurile de aeronave mari (Boeing 787 și Airbus 350 XWB), datorită rigidității și rezistenței ridicate și rezistenței la coroziune. Una dintre cele mai importante probleme de siguranță pentru aceste structuri mari este de a garanta integritatea structurală și toleranța la avarie în limitele proiectului [3]. Aceste daune potențiale, în special daunele cauzate de impact, care determină crăparea și delaminarea fibrelor, se pot propaga și, în cele din urmă, pot cauza defectarea componentelor critice. Prin urmare, este necesar să se monitorizeze continuu integritatea structurală a acestor structuri compozite groase pe durata de viață a acestora.
Un sistem de monitorizare a sănătății structurale (SHM) poate oferi o evaluare în timp real a integrității aeronavei în timpul funcționării [1]. De asemenea, permite analiza periodică a componentelor sensibile, identificarea defectelor complexe nevizibile și evaluarea integrității structurale prin teledetecție [4]. Sistemul SHM bazat pe unde ghidate cu ultrasunete (UGW) excitate de actuatori cu titanat de zirconat de plumb (PZT) a atras multă atenție [5]. UGW se poate răspândi pe distanțe mari cu pierderi de energie mai mici și, prin urmare, utilizarea UGW este o modalitate potențială de a inspecta structuri compozite mari [6]. În plus, utilizarea UGW sa dovedit a fi eficientă și eficientă în identificarea și localizarea daunelor în structurile compozite [7]. Prin urmare, sistemul SHM poate fi o modalitate eficientă de a monitoriza integritatea compozitelor groase.
Traductoarele PZT sunt utilizate pe scară largă în sistemul SHM deoarece sunt ușoare și relativ ieftine [8,9,10]. În plus, pot prezenta simultan comportamente ale actuatorului/senzorului, ceea ce permite atât detecții pasive cât și active [8,9,11]. Traductoarele PZT sunt de obicei încorporate în interior sau montate la suprafață pe compozite. Pentru tehnici de încorporare, Mall și Yocum și colab. [12,13,14] a propus două metode tradiționale: metodele de inserție și decupare. O abordare alternativă a fost raportată în Referințe [15,16,17,18], unde traductoarele PZT au fost conectate pe SMART (Stanford Multi-Actuator Receiver Transduction) LayerTM ca strat suplimentar în timpul așezării. Acest strat, bazat pe tehnica de imprimare a circuitului, a acționat ca un strat suplimentar în timpul așezării, în loc să încorporeze pur și simplu traductoare PZT în laminate compozite.
Alte tehnici de încorporare se referă la senzorii de fibră Bragg (FBG). Batte și colab. [19] a propus o metodă tradițională prin simpla introducere a senzorilor FBG în straturile încorporate în timpul așezării, iar în zona de ieșire/intrare au fost folosite împletituri termoplastice impregnate cu siliciu pentru a proteja zona de conectare dintre senzorii FBG și compozite. Cu toate acestea, marginea compozitelor nu poate fi tăiată folosind această metodă, ceea ce nu este acceptabil în industria prelucrătoare. Pentru a rezolva această problemă, Beukema [20] a propus două metode de încorporare, prima metodă presupunea crearea unui tub gol în timpul întinderii, iar senzorul FBG putea fi alimentat prin tubul gol după întărire. Cealaltă metodă presupunea integrarea conectorului miniatural Diamond Micro Interface (DIM) în senzorul FBG încorporat. Sa raportat că această metodă a fost calificată de standardul aerospațial și a fost utilizată de Administrația Națională pentru Aeronautică și Spațiu (NASA) în proiectul Marte. În plus, a fost introdusă o metodă diferită prin tăierea părții de straturi compozite în zona de margine pentru a face ieșirea senzorului FBG mult mai ușoară [21]. Luyckx și colab. [22] și Teitelbaum și colab. [23] a propus, de asemenea, să încorporeze transmisii fără fir ale unității de citire miniaturizate pentru a elimina complet punctul de intrare.