Monitorování kompozitních konstrukcí za použití piezoelektrických senzorů a aktuátorů

Abstract

Cílem této práce je navrhnout metodiku, s jejíž pomocí je možné identifikovat poškození na kompozitní struktuře v závislosti na změně spektrální charakteristiky. Použití takové metodologie může odhalit poškození konstrukce bez nutnosti vizuální kontroly. Odstranění kontroly snižuje náklady a navíc umožňuje nepřetržité monitorování dané konstrukce. Uvedený přístup využívá piezoelektrické materiály a jejich okamžitou odezvu. Pro detailnější porozumění chování piezoelektrických materiálů je nejprve vytvořen jednorozměrný konečněprvkový model s piezoelektrickým jevem. Numerický model je implementován do prostředí Matlabu a porovnán na odpovídajících problémech s analytickým řešením. Následně jsou provedeny experimenty na nepoškozených konstrukcích za pomoci piezoelektrického senzoru a aktuátoru. Nejprve jsou zjištěny vlastní frekvence hliníkové sítě. Následně je vytvořen odpovídající konečněprvkový model. Hodnoty získané z experimentů a MKP modelu se liší maximálně o 10% u sledovaných hodnot. Následující experimenty jsou provedeny na stejné hliníkové konstrukci, s předdefinovanými místy poškození. Změna vlastních frekvencí je nezávislá na budícím signálu, ale místo poškození není možné bez hlubšího výzkumu identifikovat. Po experimentech s isotropní konstrukcí je zkoumáno chování kompozitních struktur během rázových zkoušek. Za použití chirp signálu je nejprve změřeno spektrum vlastních frekvencí na nepoškozené jednosměrové kompozitové desce a následně po každém rázu. Měření z jednotlivých poškození jsou porovnána. Změna spektra vlastních frekvencí odpovídá růstu trhliny. Následující experimenty probíhají na sendvičových vzorcích, kde jsou možné různé druhy poškození. Sada sendvičových nosníků (vyříznutých z jedné desky) je podrobena stejné sekvenci rázů, pro dosažení porovnatelných výsledků. Všechny sledované vzorky vykazují do určité frekvence srovnatelnou změnu frekvenčního spektra. Testovaná metodika dokáže odhalit poškození bez dalších přidaných výpočtů, ale pro identifikaci druhu poškození kompozitní konstrukce je nutný hlubší výzkum, který přesahuje rámec této práce.