Determination of the Stress-Strain State Fields of Samples From a Polymeric Composite Material Using Fiber Optic Sensors

Abstract

Рассматриваются результаты экспериментальных исследований по определению деформаций при неоднород-ном напряженно-деформированном состоянии и модуля упругости композиционного материала при испытаниях на рас-тяжение и сжатие с применением встроенных в материал волоконно-оптических датчиков деформаций (ВОДД) на брэг-говских решетках. Рассмотрены образцы из стеклопластика с внедренными оптоволоконными линиями в форме прямо-угольной пластины и с V-образным вырезом. В пластине с вырезами достигается градиентное поле деформаций, рассматривается возможность ВОДД фиксировать данное поле. Результаты измерения градиентных полей деформа-ций в пластине с вырезами сравниваются с результатами, полученными при использовании трехмерной цифровой оп-тической системы Vic3D, и результатами численных расчетов на основе метода конечных элементов. Демонстрируется, что рассмотренные три варианта получения информации о деформациях различаются в пределах 5 %. Результаты экспериментов при одноосном растяжении и сжатии демонстрируют возможность определения модуля упругости с по-мощью ВОДД. Приведено сравнение экспериментальных результатов по определению модуля упругости, получаемого с применением стандартного испытательного оборудования, видеосистемы контроля напряженно-деформированного состояния Vic3D и оптоволоконных датчиков на брэгговской решетке.Ключевые слова: полимерный композиционный материал, стеклопластик, волоконно-оптические датчики, оп-товолокно, брэгговская решетка. N.A. Kosheleva, G.S. Shipunov, A.A. Voronkov, N.P. Merkusheva, A.A. TihonovaPerm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation DETERMINATION OF THE STRESS-STRAIN STATE FIELDS OF SAMPLES FROM A POLYMERIC COMPOSITE MATERIAL USING FIBER OPTIC SENSORSThis work presents the results of the experimental studies of strain distribution in the composite specimens using optical sensors based on fiber Bragg gratings (FBG) embedded into the material. Both flat bar and V-notched specimens were taken for tensile tests which were carried out on Instron 5982 machine. Also, the optical system Vic3D was used for independent registration of strain fields on the specimen surface. The results of tensile testing of flat specimens showed the general possibility of uniform strain measurement and were used for calculation of calibration factor for the next following tests. A series of repeated uniaxial tension and compression tests was performed on flat bar samples to determine the material modulus of elasticity using FBG sensors. The tension of V-notched specimen leads to occurrence of non-uniform fields of strain. The results of the strain gradient registration in the V-notched composite specimen using FBG sensors were compared with the digital images received from the optical system Vic3D. The difference between the results of strain measurement obtained with the different approaches did not exceed 5%.

Diagnostics of Micropores in a Polymer Material with a Built-In Fiber-Optic Bragg Grating

“…We should note here review papers [10][11][12][13] on the integration of fiber-optic Bragg gratings into the structure of a polymer composite material. Results of a mathematical modeling and experimental studies on the functioning of fiber-optic Bragg gratings embedded in polymer composite materials for solving various problems, in particular, for diagnosing a gradient strain field in a fiberglass plate, are given in [14], and for detecting and identifying various types of damage in a segment of an aircraft-engine composite frame -in [15]. Modern technologies for the production of optical fibers make it possible to vary their properties over a wide range, satisfying the requirements depending on their application field [8].…”

Deformation and failure of carbon fiber composite specimens with embedded defects during tension-torsion test

“…L A need to timely reveal operational damages and technological defects requires a prompt control of states of structures and their consequent repairs aimed at service life extension [4][5][6][7][8][9][10]. The use of embedded optical fibers with Bragg gratings for the analysis of mechanical behaviour and evaluation of material damage is of interest at this time in the field of monitoring the state of structural elements made from composite materials [11][12][13][14][15][16][17]. In order to provide reliability of the monitoring system during operations of real products, it is required to develop the evaluation methods of signal's sufficiency received from fiber-optic sensors under complex loadings [18].…”