Structural phenomenological concept of monitoring the load-bearing capacity of structural elements of composite materials

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The authors demonstrate the potential of a methodological approach for monitoring the damage kinetics and evaluating the load-bearing capacity of composite structural elements based on the method of acoustic emission. This methodology was developed by specialists of the Blagonravov Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences. The methodology was implemented for a fatigue test of an aircraft panel represented by a complex hybrid structure with a lining made of layered composite and a cellular internal structure of aluminum foil with polymeric filler that has a continuous layered structure in the gripping area. Fatigue tests were carried out at 4 Hz from the zero-loading cycle with an amplitude of 145 kN. To record the accumulation of damages, R15–AST transducers by Mistral (USA) and an A-line 32D 8-channel acoustic emission system by Interunis-IT LLC were used. Comparing the weight content of location impulses with their threshold values in energy clusters characterizing the kinetics of micro-, meso-, and macro-damages of the composite material structure made it possible to determine the bearing capacity of the aircraft panel at respective stages of damage kinetics. The results of the acoustic emission diagnostics are given for the examined aircraft panel during cyclic loading, including the coordinate location of acoustic emission sources, accumulation of acoustic emission events by channels, the dynamics of partial activity changes, and weight content of location impulses at damage evolution stages of a composite material. Therefore, the acoustic emission diagnostics of the aircraft panel made it possible to identify the areas of intensive damage accumulation in the hybrid structure of the panel and control the actual bearing capacity by defining the extent of its damages at various scale and structural levels during cyclic loading. The described methodology of using acoustic emission diagnostics for monitoring the damage kinetics and actual bearing capacity of highly loaded composite elements extends the research potential of the acoustic emission method.

About the authors

Yu. G. Matvienko

Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: ygmatvienko@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3189-1438

I. E. Vasiliev

Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: vie03@mail.ru

D. V. Chernov

Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: chernovdv@inbox.ru

References

  1. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. 2-е изд., стереотип. М.: Наука, 2014. 752 с.
  2. Матвиенко Ю.Г. Модели и критерии механики разрушения. М.: Физматлит, 2006. 328 с.
  3. Kukudzhanov V.N. Numerical continuum mechanics. Berlin, 2021. 447 p.
  4. Murakami S. Continuum damage mechanics: a continuum mechanics approach to the analysis of damage and fracture // Engineering, Engineering (R0). Dordrecht: Springer, 2012. Vol. 92. Iss. 6. Р. 402. https://doi.org/10.1007/978-94-007-2666-6.
  5. Czichos H. Handbook of technical diagnostics: fundamentals and application to structures and systems // Engineering, Engineering (R0). Berlin – Heidelberg: Springer – Verlag, 2013. 560 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-25850-3.
  6. Cherepanov G.P. Invariant Integrals in Physics // Physics and Astronomy. Cham: Springer, 2019. 259 р. https://doi.org/10.1007/978-3-030-28337-7.
  7. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Нелинейные волновые процессы в деформируемом твердом теле как многоуровневой иерархически организованной системе // Успехи физических наук. 2012. Vol. 182. Р. 1351–1357. https://doi.org/10.3367/UFNr.0182.201212i.1351.
  8. Егорушкин В.Е., Панин В.Е., Панин А.В. О физической природе пластичности // Физическая мезомеханика. 2020. Т. 23. № 2. С. 5–14. https://doi.org/10.24411/1683-805X-2020-12001.
  9. Makhutov N., Nadein V., Gadenin M., Reznikov D., Risk and industrial safety // Reliability: Theory & Applications. 2022. Vol. 17. № 3. P.138–143. https://doi.org/10.24412/1932-2321-2022-366-138-143.
  10. Лепихин А.М., Морозов Е.М., Махутов Н.А., Лещенко В.В. Возможности оценки вероятностей разрушения и допустимый размеров дефектов элементов конструкций по критериям механики разрушения // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 3. С. 41–50. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2022-88-3-41-50.
  11. Лепихин А.М., Махутов Н.А., Шокин Ю.И., Юрченко А.В. Концепция риск-анализа технических систем с использованием цифровых двойников / Вычислительные технологии. 2020. Т. 25. № 4. С. 99 –113. https://doi.org/10.25743/ICT.2020.25.4.009.
  12. Yi Xiao-Su, Du Shanyi, Zhang Litong. Composite materials engineering // Fundamentals of Composite Materials. Vol. 1. Singapore: Springer, 2018. 786 p.
  13. Matvienko Y.G., Vasil’ev I.E., Chernov D.V. Damage and failure of unidirectional laminate by acoustic emission combined with video recording // Acta Mechanica. 2021. Vol. 232. P. 1889–1900. https://doi.org/10.1007/s00707-020-02866-6.
  14. Олейников А.И., Кузьмина Т.А. Упруго-прочностные характеристики монослоев in situ в композиционном пакете // Инженерный журнал: наука и инновации. 2020. № 7. С. 4–14. https://doi.org/10.18698/2308-6033-2020-7-1996.
  15. Ono K., Gallego A. Research and applications of AE on advanced composites // Acoustic Emission: Springer Handbook of Acoustics / eds. T.D. Rossing. New York: Springer, 2014. Р. 1209–1229.
  16. Sause M.G.R. In situ monitoring of fiber-reinforced composites // Chemistry and Materials Science. Cham: Springer, 2016. Р. 242. https://doi.org/10.1007/978-3-319-30954-5.
  17. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Исследование кинетики разрушения однонаправленного ламината с применением акустикой эмиссии и видеорегистрации // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 11. С. 45–61. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-11-45-61.
  18. Matvienko Y.G., Vasil’ev I.E., Chernov D.V. Damage and failure of unidirectional laminate by acoustic emission combined with video recording // Acta Mechanica. 2021. Vol. 232. P. 1889–1900. https://doi.org/10.1007/s00707-020-02866-6.
  19. Махутов Н.А., Матвиенко Ю.Г., Иванов В.И., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Исследование на разрыв армирующих волокон и однонаправленного ламината с применением акустической эмиссии // Приборы и техника эксперимента. 2022. № 2. С. 109–117. https://doi.org/10.31857/S003281622202001X.
  20. Матвиенко Ю.Г., Махутов Н.А., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Иванов В.И., Елизаров С.В. Оценка остаточной прочности композитных изделий на основе структурнофеноменологической концепции повреждений и акустико-эмиссионной диагностики // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 1. С. 69–81. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2022-88-1-I-69-81.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).