Мониторинг кинетики разрушения композитных материалов с применением акустико-эмиссионной диагностики

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 (E_и) и максимальной амплитуды (u_m) кластеры нижнего (Н), среднего (С) и верхнего (В) уровней с границами соответственно E_и < 85 дБ, u_m < 55 дБ; E_и = 85 – 115 дБ, u_m = 55 – 80 дБ; E_и > 115 дБ, u_m > 80 дБ. Разработаны алгоритм и программное обеспечение (ПО), контролирующие динамику перераспределения параметров парциальной активности (Ń_i) и весового содержания (W_i) 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 W_Н и W_С с их пороговыми величинами [W_Н] и [W_С], 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.

1. Алексеева М. С., Алимов М. А., Архипов В. Е. и др. Исследование и обоснование прочности и безопасности машин. — М.: Знание, 2023. — 832 с.

2. Махутов Н. А. Безопасность и риски: системные исследования и разработки. — Новосибирск: Наука, 2017. — 724 с.

3. Матвиенко Ю. Г. Основы физики и механики разрушения. — М.: Физматлит, 2022. — 144 с.

4. 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.

5. Васильев В. В. Композиционные материалы: Справочник. — М.: Машиностроение, 1990. — 512 с.

6. Lubin G. Handbook of composites. — LU: Springer Science & Business Media, 2013. — 804 p.

7. Yi X.-S., Du S., Zhang L. Composite Materials Engineering. Fundamentals of Composite Materials. Vol. 1. — Singapore: Springer, 2017. — 786 p.

8. Ильюшин А. А. Об одной теории длительной прочности / Изв. АН СССР. МТТ. 1967. № 3. С. 21 – 35.

9. Cherepanov G. P. Invariant Integrals in Physics. — Switzerland: Springer Nature AG, 2019. — 259 p.

10. Болотин В. В. Ресурс машин и конструкций. — М.: Машиностроение, 1990. — 448 с.

11. Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. — М.: Машиностроение, 1975. — 488 с.

12. Панин В. Е., Гриняев Ю. В., Данилов В. И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. — Новосибирск: Наука, 1990. — 255 с.

13. Качанов Л. М. Основы механики разрушения. — М.: Наука, 1974. — 312 с.

14. Работнов Ю. Н. Ползучесть элементов конструкций. — М.: Наука, 2014. — 752 с.

15. Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1978. — 647 с.

16. Рыбин В. В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. — М.: Металлургия, 1986. — 224 с.

17. Ботвина Л. Р. Разрушение, кинетика, механизмы, общие закономерности. — М.: Наука, 2008. — 334 с.

18. 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: 10.26896/1028-6861-2022-88-7-48-62

19. Makhutov 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/S0020441222020014

20. Matvienko 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/s00707-020-02866-6

21. Матвиенко 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: 10.26896/1028-6861-2019-85-11-45-61

22. Kochenderfer M. J., Wheeler T. A., Wray K. H. Algorithms for Decision Making. — Cambridge, MA: The MIT Press, 2022. — 688 p.

23. Морозов Е. М., Муйземнек А. Ю., Шадский А. С. Механика разрушения. — М.: Ленанд, 2016. — 459 с.

24. Матвиенко Ю. Г. Двухпараметрическая механика разрушения. — М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2020. — 208 с.

25. Parton V. Z. Mechanics of elastic-plastic fracture: special problems of fracture mechanics. — Moscow: URSS, 2007. — 518 p.

26. Öchsne A. Continuum damage and fracture mechanics. — Singapore: Springer, 2016. — 167 p.

27. Anderson T. L. Fracture mechanism. Fundamental and application. — Kazakhstan: CPC Press, 2017. — 661 p.

28. Матвиенко Ю. Г. Модели и критерии механики разрушения. — М.: Физматлит, 2006. — 318 с.

29. 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/S0130308218120011

30. 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.

31. 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.

32. 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-1-69-81

33. Пат. № 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.

34. 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: 10.21285/1814-3520-2023-1-39-47

35. Матвиенко 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: 10.36652/0042-4633-2023-102-8-675-685

36. Матвиенко 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/S0130308219080037