RU2316757C1

RU2316757C1 - Method of finding of preliminary damage in structures

Info

Publication number: RU2316757C1
Application number: RU2006112021/28A
Authority: RU
Inventors: Неъматжон Рахимович Рахимов (RU); Неъматжон Рахимович Рахимов; Алексей Николаевич Серьезнов (RU); Алексей Николаевич Серьезнов
Original assignee: ФГУП Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2008-02-10
Also published as: RU2006112021A

Abstract

FIELD: finding of points of preliminary damage in structures.

SUBSTANCE: structures are loaded with growing weight and passage of optical signals in points of structures are measured by using light guides, light-emitting diode, optical radiation receiver, V-shaped fiber light guide, photoelectric signal processing unit and measuring device or computer. Structure is tightly fixed by three and more V-shaped fiber light guides in areas of possible arise of cracks. Light guides are disposed at distance of approximately 3 m one from other. Speed of crack's propagation is found from time of break of separate optical fibers and precise point of damage of light guide is found after fact of damage is testified.

EFFECT: improved precision of measurement.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области технической физики, а именно к испытаниям элементов конструкций летательных аппаратов.The invention relates to the field of technical physics, namely to testing structural elements of aircraft.

Известен способ определения наиболее нагруженных мест на деталях с использованием хрупких тензочувствительных покрытий (Н.И. Пригоровский, В.К. Панских // Метод хрупких тензочувствительных покрытий "Наука", М., 1978 г.). Сущность способа состоит в следующем. На поверхность исследуемой детали наносят тонкий слой хрупкого покрытия, в котором при нагрузке детали получают такие же деформации, как в точках ее поверхности. Когда относительное удлинение в какой-либо точке поверхности детали достигает определенной величины, то в связанной с ней точке возникает трещина. По мере увеличения нагрузки, прикладываемой к детали, трещина распространяется. Визуально находят зоны растрескивания покрытия. Так находят места наибольших напряжений (деформаций).There is a method of determining the most loaded places on parts using brittle strain-sensitive coatings (NI Prigorovsky, V.K. Pansky // Method of fragile strain-sensitive coatings "Science", M., 1978). The essence of the method is as follows. A thin layer of brittle coating is applied to the surface of the investigated part, in which, under load, the parts get the same deformations as at the points of its surface. When the relative elongation at any point on the surface of the part reaches a certain value, a crack occurs at a point associated with it. As the load applied to the part increases, the crack propagates. Visually find the cracking zone of the coating. So find the place of greatest stress (strain).

Недостатком данного способа является его низкая достоверность. Причиной указанного недостатка указанного способа-аналога является то, что в нем места наибольших напряжений связываются с местами будущих разрушений, что не всегда справедливо, например, в случаях, когда деформации конструкции и нагрузка связаны нелинейной зависимостью.The disadvantage of this method is its low reliability. The reason for this drawback of this analogue method is that in it the places of greatest stress are associated with places of future damage, which is not always true, for example, in cases where structural deformations and load are connected by a nonlinear dependence.

Также известен способ локализации сигналов акустической эмиссии при прочностных испытаниях конструкций, который может рассматриваться как способ определения координат мест предразрушения конструкций (Л.Н.Степанова, Е.Ю.Лебедев, С.И.Кабанов // Локализация сигналов АЭ при прочностных испытаниях конструкций с использованием пьезоантенны произвольной формы // Дефектоскопия, N 9, 1999 г.).There is also a known method for localizing acoustic emission signals during structural strength tests, which can be considered as a method for determining the coordinates of prefracture structures (L.N. Stepanova, E.Yu. Lebedev, S.I. Kabanov // Localization of AE signals during structural strength testing with the use of a piezoantenna of arbitrary shape // Defectoscopy, N 9, 1999).

Сущность способа состоит в следующем. На конструкцию устанавливаются датчики акустической эмиссии и тензодатчик. Нагружаются конструкция и измеряются параметры акустической волны, излучаемой развивающимся дефектом, и параметр напряженно-деформированного состояния. Синхронизируется процесс измерения параметров АЭ с процессом нагружения конструкции. Для исключения влияния шумов на результаты измерений проводится фильтрация АЭ сигналов как аппаратно, так и с помощью программных фильтров. При этом учитывается, что рост активности сигналов АЭ происходит в момент нарастания нагрузки.The essence of the method is as follows. Acoustic emission sensors and a strain gauge are installed on the design. The structure is loaded and the parameters of the acoustic wave emitted by the developing defect and the parameter of the stress-strain state are measured. The process of measuring AE parameters is synchronized with the process of loading the structure. To exclude the influence of noise on the measurement results, AE signals are filtered both hardware and software filters. It is taken into account that the increase in AE signal activity occurs at the time of increasing load.

Недостатком данного способа является то, что: 1) способ требует нагружать конструкцию силой, при которой находящиеся в ней дефекты начнут развиваться, поэтому способ повреждающий; 2) способ имеет весьма ограниченную точность определения координат слабой зоны, так как подвержен воздействию акустических шумов и требует предварительной аппаратной фильтрации АЭ сигналов; 3) способ подвержен влиянию субъективного фактора и требует предварительной фильтрации с помощью программных фильтров. В частности, шумы от узла, к которому прикладывалась нагрузка, фильтровались по критерию "третий датчик сработал первым".The disadvantage of this method is that: 1) the method requires loading the structure with force, in which the defects contained in it begin to develop, so the method is damaging; 2) the method has very limited accuracy in determining the coordinates of the weak zone, as it is exposed to acoustic noise and requires preliminary hardware filtering of AE signals; 3) the method is subject to the influence of a subjective factor and requires preliminary filtering using software filters. In particular, the noise from the node to which the load was applied was filtered according to the criterion "the third sensor worked first."

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения мест предразрушения конструкций путем нагружения увеличивающейся нагрузкой, включающий измерение прохождения оптических сигналов в точках конструкций с применением световодов, светоизлучающего диода, приемника оптического излучения и измерительного прибора или ЭВМ, для повышения достоверности контроля, на конструкцию жестко закрепляется V-образный волоконный световод в зонах возможного появления трещин с помощью прозрачного для излучения клея, далее через одно начало световода посредством светоизлучающего диода (СИД) подается короткий импульс, при этом к приемнику оптического излучения (ПОИ) возвращается импульс, отраженный от свободного конца световода, на который нанесено серебряное покрытие толщиной ≈1 мкм, путем напыления при температуре 250-300°С и давлении ≈10^-4 мм рт.ст., а затем в блоке обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС) измерительный импульс сравнивается с импульсом, который поступает от СИД через опорный световод, отношение этих сигналов обрабатывается в БОФС, и результат подается на измерительный прибор или ЭВМ (Н.Р.Рахимов, А.Н.Серьезнов. Способ определения мест предразрушения конструкций / патент РФ №2261430, БИ. 2005. №8).Closest to the technical nature of the proposed method is a method for determining the places of structural failure by loading with an increasing load, including measuring the transmission of optical signals at structural points using optical fibers, a light emitting diode, an optical radiation receiver and a measuring device or computer, to increase the reliability of control on the structure the V-shaped optical fiber is rigidly fixed in the zones of possible cracking using radiation-transparent glue, then through one beginning of the fiber through the light emitting diode (LED) a short pulse is supplied, while the pulse reflected from the free end of the fiber, which is coated with a silver coating with a thickness of ≈1 μm, is sprayed to the optical radiation receiver (POI) at a temperature 250-300 ° C and a pressure of ≈10 ^-4 mm Hg, and then in the photoelectric signal processing unit (BOFS), the measuring pulse is compared with the pulse received from the LED through the reference light guide, the ratio of these signals is processed in BOFS, and the result is fed to a measuring device or computer (N.R. Rakhimov, A.N. Seryoznov. A method for determining the places of prefracture of structures / RF patent No. 2261430, BI. 2005. No. 8).

Недостатком данного способа является его низкая достоверность и невозможность определения скорости распространения трещины по времени разрыва отдельных оптоволокон и точного места разрушения световода после фиксации факта его разрушения.The disadvantage of this method is its low reliability and the impossibility of determining the propagation speed of a crack by the time of rupture of individual fibers and the exact location of the destruction of the fiber after fixing the fact of its destruction.

Задачей изобретения является повышение достоверности и определения скорости распространения трещины по времени разрыва отдельных оптоволокон и точного места разрушения световода после фиксации факта его разрушения, а также удобство определения мест предразрушения конструкций летательных аппаратов.The objective of the invention is to increase the reliability and determine the propagation speed of a crack by the time of rupture of individual fibers and the exact location of the destruction of the fiber after fixing the fact of its destruction, as well as the convenience of determining the places of pre-destruction of aircraft structures.

Поставленная задача решается использованием трех и более V-образных волоконных световодов в зонах возможного появления трещин, расположенных на расстоянии ≈3 мм друг от друга, определяют скорость распространения трещины по времени разрыва отдельных оптоволокон и точное место разрушения световода после фиксации факта его разрушения.The problem is solved by using three or more V-shaped optical fibers in the zones of possible cracks located at a distance of ≈3 mm from each other, determine the propagation speed of the crack by the time of breaking of individual optical fibers and the exact place of destruction of the fiber after fixing the fact of its destruction.

Пример возможной практической реализации предложенного способа приведен на фиг.1 со следующими условными обозначениями: 1 - фрагмент испытываемой конструкции летательного аппарата, 2 - болтовое или клепаное соединение панелей с ребром жесткости, 3-5 - полимерные световоды (датчики). Датчики расположены на расстоянии ≈3 мм друг от друга и уложены так, что контролируется пространство вокруг каждого отверстия, 6 - отражающее серебряное покрытие, 7 - блок питания (генератор импульсов), 8 - коммутатор, 9, 12, 15 - лазерные диоды (ЛД), 11, 14, 17 - опорные световоды, 10, 13, 16 - измерительные приемники оптического излучения (ПОИ), 18 - блок обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС), 19 - усилитель. Далее аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), компьютер.An example of a possible practical implementation of the proposed method is shown in figure 1 with the following conventions: 1 - a fragment of the tested aircraft structure, 2 - bolted or riveted connection of panels with a stiffener, 3-5 - polymer fibers (sensors). The sensors are located at a distance of ≈3 mm from each other and laid so that the space around each hole is controlled, 6 - a reflective silver coating, 7 - power supply (pulse generator), 8 - switch, 9, 12, 15 - laser diodes (LD ), 11, 14, 17 — reference optical fibers, 10, 13, 16 — measuring optical radiation receivers (POI), 18 — photoelectric signal processing unit (BOFS), 19 — amplifier. Next, an analog-to-digital converter (ADC), a computer.

Принцип работы системы следующий. Оптическое волокно (ОВ) с отражающим концом жестко закрепляется в зонах возможного появления трещин с помощью прозрачного для излучения клея (бесцветная эпоксидная смола). Генератор электрических импульсов (7) вырабатывает короткие ≈10 нс импульсы, которые через коммутатор (8) подаются на ЛД (9, 12, 15). В качестве ЛД использован ИЛПН-301-1 с длиной волны 0,81...0,89 мкм. В качестве чувствительного элемента использован полимерный световод.The principle of the system is as follows. An optical fiber (OV) with a reflective end is rigidly fixed in the areas of possible cracking using radiation-transparent glue (colorless epoxy). The electric pulse generator (7) generates short ≈10 ns pulses, which are fed to the LD through the switch (8) (9, 12, 15). ILPN-301-1 with a wavelength of 0.81 ... 0.89 microns was used as an LD. A polymer fiber is used as a sensitive element.

Световой поток Ф от ЛД поступает на Y-образный полимерный световод (3), на одном конце которого нанесено отражающее покрытие (6), и опорный световод (11). От световодов оптические сигналы попадают на ПОИ (10).The luminous flux Ф from the LD arrives at the Y-shaped polymer fiber (3), at one end of which a reflective coating (6) is applied, and the reference fiber (11). From the optical fibers, optical signals arrive at the POI (10).

Из ПОИ измерительный и опорный сигналы подаются в блок обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС) (18), где сравниваются. Их отношение передается через усилитель (19) на АЦП, с которого данные поступают в компьютер, где записываются в виде файла. Дальнейшая обработка сигнала производится с помощью специально разрабатываемого программного обеспечения, существенно расширяющего возможности ОИИС, обеспечивая цифровую фильтрацию, определение глубины трещины - предразрушения и выполнение задач исследований, рассчитывая одновременно, например, двадцать таких датчиков.From POI, the measuring and reference signals are fed to the photoelectric signal processing unit (BOFS) (18), where they are compared. Their ratio is transmitted through an amplifier (19) to the ADC, from which the data are sent to a computer, where they are recorded as a file. Further signal processing is performed using specially developed software that significantly extends the capabilities of OIIS, providing digital filtering, determining the crack depth — prefracture, and performing research tasks, simultaneously calculating, for example, twenty such sensors.

Опорный канал предназначен для компенсации температурной и временной нестабильности мощности источника излучения. При этом в моменты времени t₀ и t_i берутся отсчеты, пропорциональные (Ф_jизм) и опорного (Ф_jопор) импульсов, а идентификация разрушения производится по выполнению соотношенияThe reference channel is designed to compensate for temperature and temporal instability of the radiation source power. At the same time, at times t ₀ and t _i, samples are taken proportional to ( _{f jism} ) and reference ( _{f jop} ) pulses, and fracture identification is carried out by fulfilling the relation

где величина α, (α<1) определяется исходя из условий нарушения светопропускания в месте разрыва OB с учетом стабильности параметров источников и приемников излучения, а также аналогового тракта обработки сигналов. На практике значение α принимается равным 0,5, j - номер опрашиваемого датчика. Тем самым компенсируется влияние флуктуации потока j-го источника излучения. Если в системе используются идентичные оптроны открытого канала (ООК) как измерительные, так и опорные, то в описание работы системы принимается, что:where the value of α, (α <1) is determined based on the conditions for the violation of light transmission at the site of the OB gap, taking into account the stability of the parameters of the radiation sources and receivers, as well as the analog signal processing path. In practice, the value of α is taken equal to 0.5, j is the number of the interrogated sensor. This compensates for the influence of fluctuations in the flux of the jth radiation source. If the system uses identical open channel optocouplers (OOKs), both measuring and reference, then in the description of the system it is accepted that:

Управляемый делитель необходим для компенсации разброса уровней потока излучения, проводимого к ПОИ. Этот разброс (в 3...5 раз) возникает ввиду неидентичности параметров затухания в волоконных линиях.A controlled divider is necessary to compensate for the spread in the levels of radiation flux conducted to the POI. This scatter (3 ... 5 times) arises due to the non-identical attenuation parameters in the fiber lines.

Коэффициент передачи делителя для j-го канала выбирается при снятии начального отсчета Ф_i(t₀) таким образом, чтобы сигнал на выходе ПОИ не вызывал бы переполнения А ЦП. График изменения сигнала показан на фиг.2. Значения коэффициентов передачи выбраны следующие: K₀=0,2; K₁=0. Алгоритм работы системы заключается в следующем. Сначала снимаются начальные отсчеты, пропорциональные потокам Фj(t₀) для каждого канала с определением значения коэффициента передачи К. При этом для каждого канала должны быть заданы (указан) тип используемого оптрона открытого канала (ООК) и необходимость использования опорного канала. Далее все эти данные фиксируются в памяти ЭВМ.The transfer coefficient of the divider for the j-th channel is selected when taking the initial reference Ф _i (t ₀ ) so that the signal at the output of the POI does not cause overflow A of the CPU. The signal change graph is shown in FIG. The values of the transmission coefficients are selected as follows: K ₀ = 0.2; K ₁ = 0. The algorithm of the system is as follows. First, the initial samples are taken, which are proportional to the fluxes Фj (t ₀ ) for each channel with the determination of the transmission coefficient K. Moreover, for each channel, the type of open channel optocoupler (OOK) used and the need to use the reference channel must be specified (indicated). Further, all these data are recorded in computer memory.

При контроле осуществляется снятие несущих отсчетов, пропорциональных потокам Ф_j(t_i), путем опроса заданных каналов и сравнение их с величинами начальных потоков Ф_j(t₀).During the control, carrying-out readings proportional to the fluxes Ф _j (t _i ) are taken by interrogating the given channels and comparing them with the values of the initial fluxes Ф _j (t ₀ ).

При выполнении условияWhen the condition is met

на экран монитора выводится соответствующая наглядная информация о состоянии j-го канала.The corresponding visual information about the state of the j-th channel is displayed on the monitor screen.

Преимущества данной системы по сравнению с другими известными устройствами состоят в том, что для определения скорости распространения трещины по времени разрыва отдельных оптоволокон и точного места разрушения световода после фиксации факта его разрушения на конструкцию жестко закрепляют три и более V-образных волоконных световода в зонах возможного появления трещин, расположенных на расстоянии ≈3 мм друг от друга, при этом полученный сигнал передается через усилитель на АЦП, с которого данные поступают в ЭВМ.The advantages of this system compared to other known devices are that, to determine the crack propagation speed by the time of breaking of individual optical fibers and the exact place of destruction of the fiber after fixing the fact of its destruction, three or more V-shaped optical fibers are rigidly fixed in the zones of possible appearance cracks located at a distance of ≈3 mm from each other, while the received signal is transmitted through the amplifier to the ADC, from which data are fed to the computer.

Claims

A method for determining the places of prefracture of structures by loading with an increasing load, including measuring the passage of optical signals at points of structures using optical fibers, a light emitting diode, an optical radiation receiver, a V-shaped optical fiber, a photoelectric signal processing unit (BOPS), and a measuring device or computer, characterized in that three or more V-shaped optical fibers are rigidly fixed to the structure in the zones of possible occurrence of cracks located at a distance of ≈ 3 mm apart, the crack propagation speed is determined by the time of breaking of individual optical fibers and the exact place of destruction of the fiber after fixing the fact of its destruction.