Одна из частых причин повреждений техники — постоянное воздействие микроскопических частиц (песка, пыли, льда) на поверхность оборудования. В аэрокосмической отрасли этот процесс может привести к разрушению защитного слоя приборов, ухудшению их прочностных и аэродинамических характеристик, появлению трещин. Со временем накопление незаметных дефектов создает угрозу безопасности, требует дорогостоящих ремонтов и досрочной замены деталей.
Особую сложность представляет одновременное определение двух ключевых параметров: конкретных координат повреждения и величины приложенной силы. Сейчас для измерения воздействия используют разные типы датчиков, но существующие индикаторные покрытия фиксируют только факт удара и не дают точной информации о его месте, что значительно снижает эффективность систем мониторинга.
К примеру, при попадании крупиц града на корпус самолета, существующие датчики зафиксируют удар, но не смогут определить, какие именно места повреждены, что важно для оценки прочности и обеспечения безопасности полета.
Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель специального сенсорного полимерного покрытия со встроенной в него двойной спиралью электродов для анализа механических ударных воздействий. Оно наносится на поверхность конструкции и позволяет точно определять локацию и величину удара, а также прогнозировать возможные повреждения конструкции. Статья опубликована в научном журнале «Вестник ПНИПУ. Механика».
Предлагаемая технология принципиально отличается от существующих подходов, так как стандартные решения для мониторинга используют датчики, которые устанавливаются точечно и имеют погрешность до 20%.
Созданная учеными модель представляет собой легкую, тонкую и гибкую полимерную пленку с пьезоэлектрическим эффектом, армированную двойной спиралью проволочных электродов. Его «приклеивают» на внешние элементы критически важных конструкций, например, аэрокосмической техники, а малый вес делает этот материал перспективным для использования в этой и других сферах.
Принцип его работы основан на пьезоэффекте полимерной пленки: в момент удара в пленке в зоне силового воздействия возникает локальное давление, что приводит к появлению электрического поля в этой зоне и информативных электрических импульсов на встроенных электродах. Информативные электрические импульсы измеряются на выходах электродов, и анализируются величины и временные интервалы между импульсами, что с высокой точностью определяет одновременно и место, и силу удара, обеспечивая эффективный мониторинг состояния протяженных поверхностей.
— Когда твердая частица ударяется о сенсорное покрытие, возникает импульс, который обрабатывает математическая модель. Такая система с минимальной погрешностью может одновременно определить три ключевых параметра: точку удара, его силу и величину локальной прочности конструкции. Это в 2 раза повышает точность в сравнении с аналогами. — отмечает Андрей Паньков, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций», доктор физико-математических наук.
Согласно расчетам модели, время между механическим воздействием и формированием сигнала составляет порядка микросекунды. Это позволяет регистрировать даже сверхбыстрые последовательные удары. Например, при воздействии частиц космической пыли на корпус космической станции, разработка ученых создаст электрический сигнал в месте столкновения. Эти данные по электродам будут передаваться в систему, что позволит оператору вовремя понять характер и силу повреждения.
— Тестирование технологии проводили методом численного моделирования на компьютере: мы виртуально, на основе математической модели, воспроизводили удар жесткой шаровой частицы по поверхности сенсорного покрытия. Во время исследования мы проанализировали основные возникающие при этом физические процессы: локальное неоднородное деформирование его в месте удара и генерация электрических сигналов на электродах, — комментирует Андрей Паньков.
Разработанная технология обладает практическими преимуществами: простотой нанесения покрытия, высокой точностью измерений и возможностью масштабирования на элементах любой площади. К примеру, в авиации такой материал способен мгновенно обнаружить попадание по корпусу самолета крупного града или бетонной крошки от посадочной полосы при взлете или посадке, предотвращая скрытые поломки.
Результаты разработки подтверждают перспективность ее применения для мониторинга механических повреждений в авиакосмической технике и машиностроении, где особое значение имеет оперативное обнаружение и устранение возможных микроповреждений от различных внешних силовых воздействий.