Monitoring of fatigue damage of composite structures by using embedded intensity-based optical fiber sensors

Lee, D C; Lee, J J; Kwon, Il‐Bum; Seo, Dae‐Cheol

doi:10.1088/0964-1726/10/2/313

Cited by 54 publications

(38 citation statements)

References 16 publications

(31 reference statements)

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…Однако в самом принципе создания композиционного ма-териала и конструкции одновременно из ряда отдельных компонентов, фактически создания материала-детали, можно найти решение проблемы обеспечения его надежности [1,2]. Это -создание материала с возможностью диагностики и мониторингом своего состояния в процессе стендовых, летных испытаний и, в перспективе, при длительном процессе эксплуатации с по-мощью волоконно-оптических датчиков деформации [3,4].…”

Section: Introductionunclassified

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

Kosheleva¹,

Shipunov²,

Voronkov³

et al. 2017

PNRPU Aerospace Engineering Bulletin

View full text Add to dashboard Cite

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%.

show abstract

Section: Introductionunclassified

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

Kosheleva¹,

Shipunov²,

Voronkov³

et al. 2017

PNRPU Aerospace Engineering Bulletin

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…), фактически создания материала-детали, можно найти решение проблемы обеспечения его надежности. Это -создание материала с возможностью диагностики и мониторингом своего состояния в про-цессе стендовых, летных испытаний и, в перспективе, при длительном процессе эксплуатации с помощью волоконно-оптических датчиков (ВОД) [12][13][14][15][16][17][18][19][20].…”

Section: Introductionunclassified

Evaluation of the Operability and Expediency of Using Fiber-Optical Sensors Embedded in a Composite Material at Elevated Temperatures

Lobanov¹,

Shipunov²,

Voronkov³

2017

PNRPU Aerospace Engineering Bulletin

View full text Add to dashboard Cite

Представлены результаты экспериментальных исследований работоспособности внедренных в композицион-ный материал волоконно-оптических датчиков деформации на основе брэгговских решеток при испытаниях на растяже-ние в условиях нормальной и повышенных температур. Для оценки точности регистрируемых волоконно-оптическими датчиками данных использован навесной экстензометр продольных деформаций. Испытания проводились в Центре экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета на уни-версальной электромеханической испытательной системе Instron 5882, в состав которой входит термокамера с рабочим диапазоном температур от -100 до +350 °С. Для сбора информации о состоянии волоконно-оптических датчиков во время проведения испытаний использовался интеррогатор ASTRO X327 с частотой опроса 100 Гц.Исследовались образцы композиционного материала, изготовленного на основе препрега стеклопластика ВПС-48 с внедренной линией волоконно-оптических датчиков на основе решеток Брэгга методом прямого прессования. Предварительные испытания проводились до разрушения на образцах без внедренных волоконно-оптических датчиков с целью построения полной диаграммы деформирования для дальнейшего определения уровней нагружения. Испыта-ния на растяжение на образцах с внедренными оптоволоконными датчиками проводились при температурах 22, 60, 110 и 135 °С. По результатам испытаний построены диаграммы деформирования. Проанализированы зависимости регист-рируемых значений деформации двумя независимыми методами измерений: волоконно-оптическими датчиками и на-весным экстензометром при повышении температуры.Ключевые слова: волоконно-оптические датчики деформации на брэгговских решетках, полимерный компози-ционный материал, экспериментальная механика, напряженно-деформированное состояние, повышенные температу-ры, испытания на растяжение. D.S. Lobanov, G.S. Shipunov, A.A. VoronkovPerm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation EVALUATION OF THE OPERABILITY AND EXPEDIENCY OF USING FIBER-OPTICAL SENSORS EMBEDDED IN A COMPOSITE MATERIAL AT ELEVATED TEMPERATURESThe paper presents the results of experimental studies of the operability of fiber-optical deformation sensors embedded in a composite material on the basis of Bragg gratings under tensile tests under normal and elevated temperatures. To assess the accuracy of the data recorded by fiber-optic sensors, a hinged extensometer of longitudinal deformations was used. The tests were carried out at the Center for Experimental Mechanics of PNRPU on the universal electromechanical test system Instron 5882, which includes an oven with a working temperature range from -100 to +350 °C. To collect information about the state of optical fiber sensors during the tests, an ASTRO X327 interrogator with a sampling frequency of 100 Hz was used.The samples of a composite material made on the basis of a prepreg of fiberglass VPS-48 with an embedded line of fiber-optic sensors based on Bregg gratings by direct compression were investigated. Preliminary tests we...

show abstract

“…Tsuda et al [15,16] proposed a combined SHM system comprising a ber Bragg grating sensor and a piezoelectric transmitter to monitor fatigue crack propagation in stainless steel. Lee et al [17] proposed to monitor fatigue damage using embedded intensity-based optical ber (IBOF) sensors. Optical sensors have the advantage to withstand corrosive environment and they have immunity to electromagnetic interference [18], but can be brittle and expensive to measure.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Smart sensing skin for detection and localization of fatigue cracks

Kharroub

Laflamme

Cheng

et al. 2015

Smart Mater. Struct.

View full text Add to dashboard Cite

Fatigue cracks on steel components may have strong consequences on the structure's serviceability and strength. Their detection and localization is a difficult task. Existing technologies enabling structural health monitoring have a complex link signal-to-damage or have economic barriers impeding large-scale deployment. A solution is to develop sensing methods that are inexpensive, scalable, with signals that can directly relate to damage. The authors have recently proposed a smart sensing skin for structural health monitoring applications to mesosystems. The sensor is a thin film soft elastomeric capacitor (SEC) that transduces strain into a measurable change in capacitance. Arranged in a network configuration, the SEC would have the capacity to detect and localize damage by detecting local deformation over a global surface, analogous to biological skin. In this paper, the performance of the SEC at detecting and localizing fatigue cracks in steel structures is investigated. Fatigue cracks are induced in steel specimens equipped with SECs, and data measured continuously. Test results show that the fatigue crack can be detected at an early stage. The smallest detectable crack length and width are 27.2 and 0.254 mm, respectively, and the average detectable crack length and width are 29.8 and 0.432 mm, respectively. Results also show that, when used in a network configuration, only the sensor located over the formed fatigue crack detect the damage, thus validating the capacity of the SEC at damage localization. Fatigue cracks on steel components may have strong consequences on the structure's serviceability and strength. Their detection and localization is a dicult task. Existing technologies enabling structural health monitoring have a complex link signalto-damage or have economic barriers impeding large-scale deployment. A solution is to develop sensing methods that are inexpensive, scalable, with signals that can directly relate to damage. The authors have recently proposed a smart sensing skin for structural health monitoring applications to mesosystems. The sensor is a thin lm soft elastomeric capacitor (SEC) that transduces strain into a measurable change in capacitance. Arranged in a network conguration, the SEC would have the capacity to detect and localize damage by detecting local deformation over a global surface, analogous to biological skin. In this paper, the performance of the SEC at detecting and localizing fatigue cracks in steel structures is investigated. Fatigue cracks are induced in steel specimens equipped with SECs, and data measured continuously. Test results show that the fatigue crack can be detected at an early stage. The smallest detectable crack length and width are 27.2 mm and 0.254 mm, respectively, and the average detectable crack length and width are 29.8 mm and 0.432 mm, respectively. Results also show that, when used in a network conguration, only the sensor located over the formed fatigue crack detect the damage, thus validating the capacity of the SEC at damage localizat...

show abstract

Monitoring of fatigue damage of composite structures by using embedded intensity-based optical fiber sensors

Cited by 54 publications

References 16 publications

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

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

Evaluation of the Operability and Expediency of Using Fiber-Optical Sensors Embedded in a Composite Material at Elevated Temperatures

Smart sensing skin for detection and localization of fatigue cracks

Contact Info

Product

Resources

About