zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2024-90-11-53-66zldm-2341Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSМониторинг кинетики разрушения композитных материалов с применением акустико-эмиссионной диагностикиMonitoring of the composite materials destruction kinetics using acoustic-emission diagnosticsМатвиенкоЮ. Г.MatvienkoYury G.

Юрий Григорьевич Матвиенко, 

101990, Москва, Малый Харитоньевский пер., д. 4.

Yury G. Matvienko, 

4, M. Kharitonievsky per., Moscow, 101990.

МахутовН. А.MakhutovNikolai A.

Николай Андреевич Махутов,

101990, Москва, Малый Харитоньевский пер., д. 4.

Nikolai A. Makhutov, 

4, M. Kharitonievsky per., Moscow, 101990.

ВасильевИ. Е.VasilievIgor E.

Игорь Евгеньевич Васильев, 

101990, Москва, Малый Харитоньевский пер., д. 4.

Igor E. Vasiliev,

4, M. Kharitonievsky per., Moscow, 101990.

vie01@rambler.ruЧерновД. В.ChernovDmitry V.

Дмитрий Витальевич Чернов,

101990, Москва, Малый Харитоньевский пер., д. 4.

Dmitry V. Chernov,

4, M. Kharitonievsky per., Moscow, 101990.

Институт машиноведения им. А. А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН)РоссияMechanical Engineering Research Institute Russian Academy of SciencesRussian Federation20242211202490115366Copyright © Матвиенко Ю.Г., Махутов Н.А., Васильев И.Е., Чернов Д.В., 20242024Матвиенко Ю.Г., Махутов Н.А., Васильев И.Е., Чернов Д.В.Matvienko Y.G., Makhutov N.A., Vasiliev I.E., Chernov D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/2341

Рассмотрены структурно-феноменологическая концепция (СФК) и модель эволюции разрушения композитного материала, связывающие его несущую способность с кинетикой перераспределения весового содержания микро-, мезо- и макромасштабных повреждений в процессе нагружения. Отслеживая в режиме нагружения изменение значений парциального накопления повреждений в структуре материала на разных масштабных уровнях и сопоставляя их с пороговыми значениями, можно контролировать фактическое состояние несущей способности изделия. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено соответствие между поверхностями микро-, мезо-, макроразрушений структурных связей конструкционного материала и энергетическими параметрами регистрируемых при этом акустико-эмиссионных импульсов, формирующих в поле дескрипторов относительной энергии (Eи) и максимальной амплитуды (um) кластеры нижнего (Н), среднего (С) и верхнего (В) уровней с границами соответственно Eи < 85 дБ, um < 55 дБ; Eи = 85 – 115 дБ, um = 55 – 80 дБ; Eи > 115 дБ, um > 80 дБ. Разработаны алгоритм и программное обеспечение (ПО), контролирующие динамику перераспределения параметров парциальной активности (Ńi) и весового содержания (Wi) локационных импульсов в энергетических кластерах, характеризующих кинетику микро-, мезо- и макроповреждений in situ нарушения структурных связей изделия в режиме нагружения. Сопоставляя текущие значения наиболее информативных параметров WН и WС с их пороговыми величинами [WН] и [WС], соответствующими состоянию изделия при разрушении материала, получаем возможность контролировать фактический уровень несущей способности конструкции. Разработанные концепция, алгоритм и ПО использованы для оценки несущей способности сетчатой конструкции панели при ее испытаниях на сжатие в режиме нагружения.

The structural-phenomenological concept (SPC) and model of the evolution of destruction of a composite material are considered, connecting its load-bearing capacity with the kinetics of redistribution of the weight content of micro, meso and macroscale damage during loading. By monitoring changes in the values of partial accumulation of damage in the structure of the material at different scale levels in the loading mode, and comparing them with threshold values, it is possible to control the actual state of the load-bearing capacity of the product. The correspondence between the surface of micro, meso, macro-destruction of structural bonds of a structural material and the energy parameters of the acoustic emission pulses recorded in this case, forming in the field of descriptors of relative energy (Ei) and maximum amplitude (um), clusters of the lower (L), middle (M), and upper (H) levels with boundaries: Ei < 85 dB, um < 55 dB; Ei = 85 – 115 dB, um = 55 – 80 dB; Ei > 115 dB, um > 80 dB. An algorithm and software (software) have been developed that controls the dynamics of the redistribution of parameters of partial activity (Ńi) and weight content (Wi) of location pulses in energy clusters characterizing the kinetics of micro-, meso- and macro-damage «in situ» of violation of the structural bonds of a product under loading mode. By comparing the current values of the most informative parameters WL and WM, with their threshold values [WL] and [WM], corresponding to the state of the product when the material is destroyed, we get the opportunity to control the actual level of the load-bearing capacity of the structure. The developed concept, algorithm and software were used to evaluate the load-bearing capacity of the panel mesh structure during compression tests under loading conditions.

акустическая эмиссияструктурно-феноменологическая концепциякинетика поврежденийкластерный анализпотоковые параметрывесовое содержаниепарциальная активностьнесущая способностьacoustic emissionstructural-phenomenological conceptdamage kineticscluster analysisflow parametersweight contentpartial activityload-bearing capacityРабота выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 24-19-00117).ReferencesАлексеева М. С., Алимов М. А., Архипов В. Е. и др. Исследование и обоснование прочности и безопасности машин. — М.: Знание, 2023. — 832 с.Alekseeva M. S., Alimov M. A., Arkhipov V. E., et al. Research and justification of the strength and safety of machines. — Moscow: Znanie, 2023. — 832 p. [in Russian].Махутов Н. А. Безопасность и риски: системные исследования и разработки. — Новосибирск: Наука, 2017. — 724 с.Makhutov N. A. Safety and risks: systems research and development. — Novosibirsk: Nauka, 2017. — 724 p. [in Russian].Матвиенко Ю. Г. Основы физики и механики разрушения. — М.: Физматлит, 2022. — 144 с.Matvienko Yu. G. Fundamentals of physics and fracture mechanics. — Moscow: Fizmatlit, 2022. — 144 p. [in Russian].Composite materials. Handbook. Vol. 3. Polymer Matrix Composites, Materials Usage, Design, and Analysis / Departments and Agencies of the Department of Defense USA. 2002. Doc. N. MIL-HDBK-17-3FV.Composite materials. Handbook. Vol. 3. Polymer Matrix Composites, Materials Usage, Design, and Analysis / Departments and Agencies of the Department of Defense USA. 2002. Doc. N. MIL-HDBK-17-3FV.Васильев В. В. Композиционные материалы: Справочник. — М.: Машиностроение, 1990. — 512 с.Vasiliev V. V. Composite materials: Handbook. — Moscow: Mashinostroenie, 1990. — 512 p. [in Russian].Lubin G. Handbook of composites. — LU: Springer Science & Business Media, 2013. — 804 p.Lubin G. Handbook of composites. — LU: Springer Science & Business Media, 2013. — 804 p.Yi X.-S., Du S., Zhang L. Composite Materials Engineering. Fundamentals of Composite Materials. Vol. 1. — Singapore: Springer, 2017. — 786 p.Yi X.-S., Du S., Zhang L. Composite Materials Engineering. Fundamentals of Composite Materials. Vol. 1. — Singapore: Springer, 2017. — 786 p.Ильюшин А. А. Об одной теории длительной прочности / Изв. АН СССР. МТТ. 1967. № 3. С. 21 – 35.Ilyushin A. A. On one theory of long-term strength / Izv. AN SSSR. MTT. 1967. N 3. P. 21 – 35 [in Russian].Cherepanov G. P. Invariant Integrals in Physics. — Switzerland: Springer Nature AG, 2019. — 259 p.Cherepanov G. P. Invariant Integrals in Physics. — Switzerland: Springer Nature AG, 2019. — 259 p.Болотин В. В. Ресурс машин и конструкций. — М.: Машиностроение, 1990. — 448 с.Bolotin V. V. Resource of machines and structures. — Moscow: Mashinostroenie, 1990. — 448 p. [in Russian].Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. — М.: Машиностроение, 1975. — 488 с.Serensen S. V., Kogaev V. P., Shneiderovich R. M. Load-bearing capacity and strength calculations of machine parts. — Moscow: Mashinostroenie, 1975. — 488 p. [in Russian].Панин В. Е., Гриняев Ю. В., Данилов В. И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. — Новосибирск: Наука, 1990. — 255 с.Panin V. E., Grinyaev Yu. V., Danilov V. I., et al. Structural levels of plastic deformation and destruction. — Novosibirsk: Nauka, 1990. — 255 p. [in Russian].Качанов Л. М. Основы механики разрушения. — М.: Наука, 1974. — 312 с.Kachanov L. M. Fundamentals of fracture mechanics. — Moscow: Nauka, 1974. — 312 p. [in Russian].Работнов Ю. Н. Ползучесть элементов конструкций. — М.: Наука, 2014. — 752 с.Rabotnov Yu. N. Creep of structural elements. — Moscow: Nauka, 2014. — 752 p. [in Russian].Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1978. — 647 с.Gulyaev A. P. Metallurgy. — Moscow: Metallurgiya, 1978. — 647 p. [in Russian].Рыбин В. В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. — М.: Металлургия, 1986. — 224 с.Rybin V. V. Large plastic deformations and destruction of metals. — Moscow: Metallurgiya, 1986. — 224 p. [in Russian].Ботвина Л. Р. Разрушение, кинетика, механизмы, общие закономерности. — М.: Наука, 2008. — 334 с.Botvina L. R. Destruction, kinetics, mechanisms, general patterns. — Moscow: Nauka, 2008. — 334 p. [in Russian].Завойчинская Э. Б. Общие закономерности и критерии разрушения твердых тел на разных масштабных уровнях при длительном нагружении (Обобщающая статья) / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 7. С. 48 – 62. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-7-48-62Zavoichinskaya E. B. General patterns and criteria for the destruction of solids at different scale levels under long-term loading (General article) / Zavod. Lab. Mater. Diagn. 2022. V. 88. N 7. P. 48 – 62 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-7-48-62Makhutov N. A., Matvienko Y. G., Ivanov V. I., et al. Rupture Tests of Reinforcing Fibers and a Unidirectional Laminate Using Acoustic Emissions / Instrum. Exp. Tech. 2022. Vol. 65. N 2. P. 305 – 313. DOI: 10.1134/S0020441222020014Makhutov N. A., Matvienko Y. G., Ivanov V. I., et al. Rupture Tests of Reinforcing Fibers and a Unidirectional Laminate Using Acoustic Emissions / Instrum. Exp. Tech. 2022. Vol. 65. N 2. P. 305 – 313. DOI: 10.1134/S0020441222020014Matvienko Y. G., Vasil’ev I. E., Chernov D. V. Damage and failure of unidirectional laminate by acoustic emission combined with video recording / Acta Mech. 2021. Vol. 232. P. 1889 – 1900. DOI: 10.1007/s00707-020-02866-6Matvienko Y. G., Vasil’ev I. E., Chernov D. V. Damage and failure of unidirectional laminate by acoustic emission combined with video recording / Acta Mech. 2021. Vol. 232. P. 1889 – 1900. DOI: 10.1007/s00707-020-02866-6Матвиенко Ю. Г., Васильев И. Е., Чернов Д. В. Исследование кинетики разрушения структурных связей однонаправленного ламината с применением акустической эмиссии и видеорегистрации / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 11. С. 45 – 61. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-11-45-61Matvienko Yu. G., Vasilyev I. E., Chernov D. V. Study of the kinetics of destruction of structural bonds of a unidirectional laminate using acoustic emission and video recording / Zavod. Lab. Mater. Diagn. 2019. Vol. 85. N 11. P. 45 – 61 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-11-45-61Kochenderfer M. J., Wheeler T. A., Wray K. H. Algorithms for Decision Making. — Cambridge, MA: The MIT Press, 2022. — 688 p.Kochenderfer M. J., Wheeler T. A., Wray K. H. Algorithms for Decision Making. — Cambridge, MA: The MIT Press, 2022. — 688 p.Морозов Е. М., Муйземнек А. Ю., Шадский А. С. Механика разрушения. — М.: Ленанд, 2016. — 459 с.Morozov E. M., Muizemnek A. Yu., Shadsky A. S. Mechanics of destruction. — Moscow: Lenand, 2016. — 459 p. [in Russian].Матвиенко Ю. Г. Двухпараметрическая механика разрушения. — М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2020. — 208 с.Matvienko Yu. G. Two-parameter fracture mechanics. — Moscow: MAIK «Nauka/Interperiodika», 2020. — 208 p. [in Russian].Parton V. Z. Mechanics of elastic-plastic fracture: special problems of fracture mechanics. — Moscow: URSS, 2007. — 518 p.Parton V. Z. Mechanics of elastic-plastic fracture: special problems of fracture mechanics. — Moscow: URSS, 2007. — 518 p.Öchsne A. Continuum damage and fracture mechanics. — Singapore: Springer, 2016. — 167 p.Öchsne A. Continuum damage and fracture mechanics. — Singapore: Springer, 2016. — 167 p.Anderson T. L. Fracture mechanism. Fundamental and application. — Kazakhstan: CPC Press, 2017. — 661 p.Anderson T. L. Fracture mechanism. Fundamental and application. — Kazakhstan: CPC Press, 2017. — 661 p.Матвиенко Ю. Г. Модели и критерии механики разрушения. — М.: Физматлит, 2006. — 318 с.Matvienko Yu. G. Models and criteria of fracture mechanics. — Moscow: Fizmatlit, 2006. — 318 p. [in Russian].Матвиенко Ю. Г., Васильев И. Е., Чернов Д. В., Елизаров С. В. Критериальные параметры для оценки степени деградации композитных материалов при акустико-эмиссионном мониторинге изделий / Дефектоскопия. 2018. № 12. С. 3 – 11. DOI: 10.1134/S0130308218120011Matvienko Yu. G., Vasilyev I. E., Chernov D. V., Elizarov S. V. Criteria parameters for assessing the degree of degradation of composite materials during acoustic emission monitoring of products / Defektoskopiya. 2018. N 12. P. 3 – 11 [in Russian].Пат. № 2690200 РФ, МПК С 1 G01N 29/14 (2006.01). Способ акустико-эмиссионного мониторинга степени деградации структуры материала и прогнозирования остаточной прочности изделия/ Васильев И. Е., Матвиенко Ю. Г., Елизаров С. В., Чернов Д. В.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения РАН. — № 2018122809. заявл. 22.06.18; опубл. 31.05.19. Бюл. № 16.RF Pat. N 2690200. IPC C 1 G01N 29/14 (2006.01). Method of acoustic emission monitoring of the degree of degradation of the material structure and predicting the residual strength of the product / Vasiliev I. E., Matvienko Yu. G., Elizarov S. V., Chernov D. V.; applicant and patent holder Institute of Mechanical Science of the Russian Academy of Sciences. — N 2018122809; appl. 06/22/18; publ. 05/31/19, Byull. N 16. [in Russian].Васильев И. Е., Матвиенко Ю. Г., Чернов Д. В., Елизаров С. В. Мониторинг накопления повреждений в кессоне стабилизатора планера МС-21 с применением акустической эмиссии / Проблемы машиностроения и автоматизации. 2020. № 2. С. 118 – 141.Vasiliev I. E., Matvienko Yu. G., Chernov D. V., Elizarov S. V. Monitoring the accumulation of damage in the caisson of the MS-21 airframe stabilizer using acoustic emission / Probl. Mashinostr. Avtom. 2020. N 2. P. 118 – 141 [in Russian].Матвиенко Ю. Г., Махутов Н. А., Васильев И. Е. и др. Оценка остаточной прочности композитных изделий на основе структурно-феноменологической концепции повреждений и акустико-эмиссионной диагностики / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 1. С. 69 – 81. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-I-1-69-81Matvienko Yu. G., Makhutov N. A., Vasiliev I. E., et al. Assessment of the residual strength of composite products based on the structural-phenomenological concept of damage and acoustic-emission diagnostics / Zavod. Lab. Mater. Diagn. 2022. Vol. 88. N 1. P. 69 – 81 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-I-1-69-81Пат. № 2787964 РФ, МПК С 1 G01N 29/14 (2006.01). Способ мониторинга несущей способности изделий / Васильев И. Е., Матвиенко Ю. Г., Чернов Д. В., Махутов Н. А., Елизаров С. В.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения РАН. — № 2022102162; заявл. 31.01.22; опубл. 13.01.23. Бюл. № 2.RF Pat. N 2787964. IPC C 1 G01N 29/14 (2006.01). Method for monitoring the bearing capacity of products / Vasiliev I. E., Matvienko Yu. G., Chernov D. V., Makhutov N. A., Elizarov S. V.; applicant and patent holder Institute of Mechanical Science of the Russian Academy of Sciences. — N 2022102162; appl. 01/31/22; publ. 01/13/23, Byull. N 2 [in Russian].Матвиенко Ю. Г., Васильев И. Е., Чернов Д. В. Структурно-феноменологическая концепция мониторинга несущей способности элементов конструкций из композитных материалов / iPolytech Journal. 2023. Т. 27. № 1. С. 39 – 47. DOI: 10.21285/1814-3520-2023-1-39-47Matvienko Yu. G., Vasilyev I. E., Chernov D. V. Structural-phenomenological concept for monitoring the load-bearing capacity of structural elements made of composite materials / iPolytech Journal. 2023. Vol. 27. N 1. P. 39 – 47 [in Russian]. DOI: 10.21285/1814-3520-2023-1-39-47Матвиенко Ю. Г., Васильев И. Е., Чернов Д. В. и др. Диагностика с помощью акустической эмиссии консоли крыла планера МС-21 в зоне искусственных повреждений при ресурсных испытаниях конструкции / Вестник машиностроения. 2023. Т. 102. № 8. С. 675 – 685. DOI: 10.36652/0042-4633-2023-102-8-675-685Matvienko Yu. G., Vasilyev I. E., Chernov D. V., et al. Diagnostics using acoustic emission of the wing console of the MS-21 glider in the area of artificial damage during life tests of the structure / Vestn. Mashinostr. 2023. Vol. 102. N 8. P. 675 – 685 [in Russian]. DOI: 10.36652/0042-4633-2023-102-8-675-685Матвиенко Ю. Г., Васильев И. Е., Чернов Д. В., Панков В. А. Акустико-эмиссионный мониторинг процесса повреждения опорной стойки в условиях циклического нагружения / Дефектоскопия. 2019. № 8. С. 24 – 33. DOI: 10.1134/S0130308219080037Matvienko Yu. G., Vasilyev I. E., Chernov D. V., Pankov V. A. Acoustic emission monitoring of the process of damage to the support column under cyclic loading conditions / Defektoskopiya. 2019. N 8. P. 24 – 33 [in Russian]. DOI: 10.1134/S0130308219080037

The authors declare that there are no conflicts of interest present.