Чувствительный элемент системы мониторинга поверхностных дефектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чувствительный элемент системы мониторинга поверхностных дефектов

А.С. Исаева Южный федеральный университет

Аннотация

Рассмотрена двумерная задача установления связи между напряженно-деформированным состоянием (НДС) в материале поверхности конструкции, содержащей трещину, и НДС в материале сенсора при одноосном растяжении для различных значений глубины трещины. Задача решена в программном комплексе ANSYS с использованием встроенного сеточного генератора KSCON для целей разработки систем мониторинга дефектов.

Введение

При анализе параметров современных подвижных объектов все более широко используются элементы микросистемной техники, обеспечивающие улучшение массогабаритных характеристик и повышение надежности. Список параметров подвижного объекта, подлежащих контролю, достаточно широк: ускорение, угловая скорость, давление, ударные и вибрационные нагрузки, дефекты, возникающие или развивающиеся в процессе эксплуатации и т.д.

Контроль механических напряжений и возникающих (или развивающихся) под их воздействием дефектов типа трещин в конструкциях подвижных объектов является важнейшей задачей, связанной с обеспечением безопасности. В частности, в авиационной технике, актуальной является задача создания распределенных систем контроля параметров. Наряду с акселерометрами, обеспечивающими регистрацию ускорений, пьезодатчиками, регистрирующими вибрации, целесообразно использовать распределенные сенсоры для контроля дефектов. Данный доклад посвящен анализу возможности использования тонких проводящих пленок в качестве чувствительного элемента сенсора поверхностных дефектов в составе распределенной системы мониторинга состояния конструкции.

1. Разработка чувствительного элемента системы мониторинга поверхностных дефектов

В данный момент разрабатываются чувствительные элементы (ЧЭ) для систем мониторинга поверхностных дефектов с использованием принципов электроимпедансной томографии и с использованием коммутируемых пленочных датчиков трещин [1, 2]. Конструкции данных чувствительных элементов различаются, однако общим элементом для них является электрически непроницаемое основание, стойкое к растяжениям и изгибам, на котором формируется ЧЭ, и тонкопленочный проводник.

Рис. 1. Принцип работы предлагаемого чувствительного элемента: берега трещины смыкаются в отсутствие эксплуатационных нагрузок (а), при введении в эксплуатацию трещина раскрывается, проводящая пленка растягивается (б) или разрывается (в) (1 - материал объекта контроля; 2 - трещина; 3 - пленка гибкого растяжимого диэлектрика; 4 - проводящая пленка)

Рис. 1 поясняет принцип работы предлагаемого чувствительного элемента. Когда объект контроля - нагружаемая конструкция - не испытывает на себе эксплуатационных нагрузок, трещины в материале конструкции смыкаются и становятся трудноразличимыми для методов неразрушающего контроля (рис. 1, а). При введении в эксплуатацию рабочие нагрузки заставляют трещину раскрываться. Если адгезия диэлектрической пленки к поверхности объекта контроля достаточная для предотвращения ее отслаивания, эластичный диэлектрик растянется без заметного изменения его механических и электрических свойств. Проводящая пленка в зависимости от ее механических свойств либо растянется в области над трещиной (рис. 1, б), либо разорвется (рис. 1, в), что отразится на его электрических свойствах, а именно, уменьшит проводимость. Измеряя проводимость пленки в режиме эксплуатации объекта контроля, можно получить информацию о трещинах, появившихся или развивающихся на поверхности материала объекта контроля.

На рис. 2 представлена функциональная схема предлагаемого сенсора мониторинга дефектов. Слоистая структура, рассматриваемая на рис. 1, показана здесь как вид сверху. На границах проводящей пленки расположены электроды. Попарно на электроды подается ток, при этом с остальных электродов снимается напряжение. От количества электродов и количества перебранных пар зависит разрешающая способность и точность метода. После сбора данных проводится реконструкция распределения проводимости. В местах трещин, разрывов и царапин проводимость пленки изменится, соответственно распределение проводимости одновременно является распределением дефектов на пленке.

Рис. 2. Принцип работы предлагаемого чувствительного элемента (трещина показана пунктирной линией)

Ключевой этап реконструкции изображений в ЭИТ - это решение прямой и обратной задач. Прямая задача формулируется как нахождение распределения потенциала электрического поля при заданной конфигурации токов, протекающих через поверхность в точках контакта электродов, и заданном распределении проводимости внутри объекта. Для решения этой задачи применяются как аналитические, так и численные методы. Аналитическое решение возможно лишь в наиболее простых случаях - при однородном распределении проводимости внутри области и несложной форме ее границы (окружность, прямоугольник, сфера и т. п.). Чем сильнее исследуемый объект отличается от идеального случая, тем выше погрешность аналитического решения. В ЭИТ более широкое применение нашли численные методы решения прямой задачи - метод конечных разностей [3]. Решение прямой и обратной задач происходит в блоке обработки результатов измерений. Вычислительная сложность обратной задачи достаточно велика. При необходимости получать распределение проводимости в реальном масштабе времени требуется это учитывать. Однако для получения сведений в режиме эксплуатации, потребуется только снять значения напряжений во время работы объекта контроля, а вычисления производить в обычном режиме.

При разработке ЧЭ дефектов важным этапом является расчет напряженно-деформированных состояний пленочного датчика и конструкции объекта контроля с поверхностным дефектом. Рассмотрена двумерная симметричная задача установления связи между напряженным состоянием в материале поверхности объекта контроля (алюминий), содержащем трещину, и напряженным состоянием в материале пленочного сенсора (фольгированный медью полиимид) при одноосном растяжении для различных значений глубины трещины. Задача решена в программном комплексе ANSYS с использованием встроенного сеточного генератора KSCON [4].

Целью работы является обоснование возможности использования фольгированных диэлектрических пленок для разработки сенсора поверхностных трещин. Данная цель достигается путем анализа распределения напряжений в слоистой структуре, Ѕ часть которой схематически представлена на рис.3.

Рис. 3. Геометрия двумерной задачи одноосного растяжения слоистой структуры с трещиной (1) в алюминии (2), представляющей собой разрез ненулевой толщины (3 - вершина трещины; 4 - пленка полиимида; 5 - пленка меди; -^.- - ось симметрии структуры)

На алюминиевую пластину толщиной h нанесен фольгированный полиимид толщиной h_pl (толщина пленки полиимида - h_poly). В алюминиевой пластине находится дефект, представляющий собой трещину ненулевой толщины d и глубины a. На пластину действует растягивающее напряжение у, раскрывающее трещину.

Двумерная симметричная задача одноосного растяжения слоистой структуры решена с применением инженерного комплекса ANSYS для следующих значений геометрических размеров модели и нагрузки: длина образца L = 2Чl = 1Ч10-2 м, толщина слоя алюминия h = 4Ч10-3 м, суммарная толщина пленок полиимида и меди h_pl = 7Ч10-5 м, толщина пленки полиимида h_poly = 4Ч10-5 м, воздействующее напряжение у = 1Ч106 Па, глубина трещины а = 5Ч10-4 м, толщина трещины d = 2Ч10-5 m (0,4% от глубины трещины).

Для регистрации трещины в процессе ее раскрытия под воздействием растягивающего напряжения у, в верхнем слое (тонкой медной пленке) должны наблюдаться напряжения, достаточные для ее повреждения, в то время как в среднем слое (пленке полиимида) напряжения должны быть минимальны. Очевидно, напряжения в алюминии не должны превышать напряжения в меди, в противном случае трещина разовьется раньше, чем сенсор отреагирует на ее появление.

Вершина трещины моделировалась специальным сеточным генератором KSCON, позволяющим создать в вершине трещины слой сингулярных элементов и получить корректные значения напряжений. На левой стороне модели структуры заданы условия симметрии, к правой приложено растягивающее напряжение.

На рис. 4 представлены результаты моделирования структуры для толщины разреза d = 2Ч10-5 м (0,4% от глубины трещины). Трещина раскрыта, заметные напряжения в алюминии присутствуют лишь на небольшом участке в окрестности выхода трещины на поверхность.

Рис. 4. Распределение интенсивности напряжений (по Мизесу) в слоистой структуре в области правого берега трещины (разреза ненулевой толщины)

Использование в подобных моделях математического разреза нулевой толщины является в известной мере приближением - в реальной сомкнутой трещине берега отстоят друг от друга на некотором расстоянии, которым можно пренебречь. Поэтому была использована формальная замена разреза нулевой толщины разрезом, имеющим некоторую конечную толщину, незначительную по сравнению с его глубиной, что позволяет избежать ошибок, обусловленных подобной постановкой задачи, рассмотренных в [5].

На рисунке отмечены две области - концентраторы, содержащие максимальные напряжения: участок медной пленки непосредственно над трещиной 1 и участок алюминиевой пластины в месте ее соединения с полиимидом в окрестности выхода трещины на поверхность 2. Вершина трещины также является концентратором напряжений, но, как показали результаты моделирования, увеличение значения толщины разреза в пределах (8-35)Ч10-6 м не оказывает заметного влияния на наблюдаемые напряжения в вершине трещины. На рис. 5 представлен график изменения максимальных значений интенсивности напряжений (по Мизесу) в участках 1, 2 в зависимости от толщины разреза.

Рис. 5. Зависимости максимальных значений интенсивности напряжений в участках 1, 2 от толщины разреза

При слишком малой толщине разреза, в соответствии с рисунком, расчетные напряжения в алюминии оказываются завышенными (превышают напряжения в медной пленке). Слишком большая толщина разреза в исходном ненапряженном состоянии не соответствует постановке задачи (рассматривается изначально сомкнутая трещина). Поэтому значения толщины разреза d, позволяющие получить наиболее адекватные результаты моделирования, следует выбирать в области минимума кривой 2 (в рассматриваемом на рисунке примере - в диапазоне d = (20-25)Ч10-6 м).

дефект трещина сенсор слоистый

Заключение

В целом результаты расчетов с использованием специальных средств моделирования трещин программного комплекса ANSYS показывают, что воздействие на алюминиевую пластину, содержащую трещину, механического нагружения, перпендикулярного трещине, т.е. раскрывающего ее, может вызвать в тонкопленочном сенсоре достаточные для регистрации напряжения. Данные напряжения, при неизменном значении величины механической нагрузки, зависят от глубины трещины и сочетания механических свойств пленок сенсора. Важно отметить, что разрабатываемый сенсор может быть изготовлен по технологии электронной печати, то есть может быть включен как компонент системы мониторинга состояния конструкций без усложнения технологии производства последней, что и является целью дальнейших исследований автора.

Литература

1. Исаева А.С., Рындин Е.А. Распределенный сенсор трещин, способ регистрации их возникновения и определения локализации // Патент России № 2520948.2014

2. Исаева А.С., Рындин Е.А. Метод анализа дефектов поверхности конструкций с использованием электроимпедансной томографии // Вестник Южного научного центра РАН. - 2013. - Т.9. -№1. - С. 17-21

3. Пеккер Я. С. Электроимпедансная томография / Я. С. Пеккер [и др.].- Томск: Изд-во НТЛ, 2004.- 298 с

4. ANSYS в руках инженера: Механика разрушения / Е.М. Морозов, А.Ю. Муйземнек, A.C. Шадский. ? 2-е изд., испр. ? М.: ЛЕНАНД, 2008. - 456 с.

5. Isaeva A.S., Konoplev B.G., Ryndin E.A. Analysis of a two-dimentional symmetric problem on extension of a Al-polyimide-Cu layered structure with a model crack // Technical Physics Letters.-2015.-V.41.-№6.-P.599-601

Размещено на Allbest.ru