بخشی از مقاله
چکیده
در مقاله حاضر یک رویکرد جدید و با صرفه در سیستم بازرسی و کنترل مواد مرکب ارائه شده است. براي این منظور کریستال هاي پیزوسرامیکی نسبتاً کوچکی جهت تولید و بکارگیري مود اساسی غیر- متقارن لمب Ao انتخاب شده و به منظور امکان بازرسی نواحی بزرگتر، تکه هاي مذکور در یک جهت خطی توزیع شده اند. پیشروي امواج لمب با استفاده از آنالیز اجزا محدود مورد مطالعه قرار گرفته و تعداد و فاصله ي فضایی بهینه اي از مبدل ها تعیین شد. آسیب هاي ضربه اي در مواد مرکب لایه اي، پلاستیک مسلح شده با رشته هاي کربنی چند جهتی با استفاده از یک چیدمان تجربی آزمایش و بسیار موفقیت آمیز نتایج آشکار شدند.
-1 مقدمه
مواد مرکب به سبب استحکام و سفتی بالایشان، گزینه هایی خوبی براي استفاده در مباحث سازه اي می باشند. اما غیر ایزوتروپیک بودن ماکروسکپی مواد مرکب بخاطر وجود انواع الیاف و زمینه، عموماً منجر به انواع متعددي از آسیب ها می گردد. عمومی ترین آسیب بخاطر استحکام کم بین ورقه اي مواد مرکب توسط ضربه مطرح می شود. در ناحیه ي ضربه ممکن است انواع آسیب ها شامل ترك هاي ماتریسی، جدایش ورقه ها و شکستگی لیف ها باشد.
جهت تعیین موقعیت و تشخیص اندازه و نوع آسیب در مواد مرکب تلاش هاي فراوانی صورت گرفته و روش هاي مختلفی مورد استفاده قرار گرفته است که از این میان ترموگرافی، پرتونگاري و فراصوت از جمله مهمترین تکنیک ها هستند. تکنیک هاي ذکر شده مستلزم بکار گیري مبدلهاي حجیم و مستلزم پویش نقطه اي بوده و همچنین بسیار وقت گیر و پر هزینه هستند.
هزینه ي بازرسی سازه هاي مواد مرکب بسیار بالا و حداقل یک درجه بیشتر از قطعات فلزي است و به همین دلیل آنها به شیوه اي ایمن و اقتصادي نگه داري شوند.
بنابراین در حال حاضر ابداع و توسعه روش هاي رصد آسیب که سریع و بطور مطمئن آسیب ها را در مواد مرکب آشکار سازد، بسیار مهم است و در اولویت تحقیق تست هاي غیر مخرب قرار دارد. امواج لمب براي اولین بار توسط هوراك لمب در سال 1916 براي ماده ایزوتروپیک همگون ارائه گردید
امواج لمب، امواج صوتی دو بعدي هستند که می توانند در ورقه هاي جامد نسبتا نازك با مرزهاي آزاد منتقل شوند و به همین دلیل بعنوان امواج ورقه اي نیز شناخته می شوند. آنها می توانند بر حسب الگوي جابجایی، بصورت مدهاي متقارن - Sn - و غیرمتقارن - An - تقسیم بندي شوند. امواج لمب توانایی تست حجم کل سازه را در راستایی بین مبدل هاي فرستنده و گیرنده دارد و این امواج می تواند تا فواصل قابل توجهی پیشروي داشته باشند. بنابراین نواحی بزرگتري را می توان با تعداد کمی از مبدلها مورد بازرسی قرار داد. اما وجود همزمان مدهاي متنوع می تواند موجب پیچیدگی تفسیر سیگنال دریافتی گردد. پس باید یک فرکانس حدي که ویژه هر ماده مخصوص است، احراز و زیر آن فرکانس کار شود
بعبارت بهتر باید یک مود تکی تحریک شود تا بتوان بطور ایده ال تست را انجام و نتیجه مناسب گرفت. در زمینه سیستم هاي نظارت، کنترل بر صحت و زمان واقعی پیاده سازي امواج لمب کار اندکی صورت گرفته است.
وایلوکس و همکاران بازرسی ورقه هاي فلزي بزرگ را با امواج لمب با استفاده از تکنیک آرایه هاي فازي پیشنهاد کرده اند. دایاز والد امکان استفاده از یک آرایه خطی از مبدلها را براي رصد جدایش در صفحات مواد مرکب توجیه کرده اند . اما تعیین توانایی ها و محدودیت هاي این تکنیک، انجام کارهاي بیشتري را می طلبد.
هدف از کار حاضر، ارائه ي سیستمی است که بتواند بصورت دائمی به سطح سازه هاي مواد مرکب متصل و واکنش متقابل بین امواج و عیوب را مورد کنترل قرار دهد. سهولت استفاده از آرایه ي از فرستنده هاي پیزوالکتریک براي تولید امواج لمب در صفحات مواد مرکب به هر دو صورت تجربی و عددي مورد بررسی و تحقیق قرار گرفته است. ابتدا استراتژي آزمایش تشریح می شود و آنالیز اجزا محدود به موازات اینکار تحلیل خواهد شد. براي تعیین تعداد بهینه مبدل ها و فاصله گذاري بین مبدل هاي فرستنده-گیرنده مورد بررسی واقع شده است.
-2 استراتژي بازرسی آسیب
ابداع و توسعه ي سازه هاي هوشمند مستلزم استفاده از مبدلهاي کوچک و استفاده راحت از آن مبدل ها می باشد و باید بتواند بطور پیوسته سازه را مورد بازرسی قرار دهد. چه این مبدلها بصورت دائمی روي سطح متصل شوند یا در میان ورقه هاي مواد مرکب جاگذاري شده باشند. تا بدین ترتیب حداقل اختلال در کارکردشان مطرح شود. مبدلهاي دیجیتالی چنین مقتضیاتی را برآورد می کنند ولی فرکانس کارکرد آنها در محدوده 0.5 4 MHz می باشد ولی چون فرکانس هاي پایین تري در تحقیق حاضر مورد نظر است لذا تصمیم گرفته شد که از تکه هاي پیزوسرامیکی نازکی استفاده شود. در مطالعات دیگر براي تحریک مدهاي So, Ao در فرکانس هاي پایین اینگونه پیزو سرامیک ها مورد استفاده قرار گرفته بودند.
پیزو سرامیک هاي فرستنده وقتی در راستاي قائم بر سطح یک میدان الکتریکی قرار می گیرند تغییر بعدهاي نسبی سطحی تولید می کنند. به علت کوپل شدن پیزوسرامیک به سازه، نیروها ارتعاشی در ناحیه ي واقع در میدان القاء شده و امواج الاستیکی تولید خواهد کرد و وقتی این موج الاستیکی در سازه پیشروي می کند، تغییر بعدهاي نسبی مواد مرکب موجب تولید ولتاژ یا بعبارتی سیگنالی روي عنصر پیزوسرامیکی گیرنده خواهد شد و با تحلیل سیگنال هاي ورودي می توان وجود آسیب و پارامترهاي مربوط به آسیب را احراز نمود.در این تکنیک دامنه سیگنال هاي منعکس شده درجه ي بحرانی بودن آسیب را مشخص خواهد نمود و همچنین زمان پراش امواج بین سیگنال ورودي و سیگنال دریافتی به منظور موقعیت یابی آسیب بکار می رود. استراتژي بازرسی آسیب در شکل1 نشان داده شده است.
شکل -1 چیدمان بازرسی آسیب یک ورق مواد مرکب تحریک شده بوسیله
4 فرستنده؛ ابعاد بر حسب میلی متر
مود Ao موج لمب به این علت انتخاب شد که در فرکانس کاري 20 KHz، داراي سرعت فاز بسیار پایین و در نتیجه طول موج کوچکتري از مد So است و آنرا نسبت به آسیب حساس تر می کند.
با این فرکانس هزینه تجهیزات و همچنین میزان کاهش شدت موج بسیار کمتر است و در نتیجه جهت ثبت سیگنال ها وجود تقویت کننده الزامی ندارد.
با توجه به اینکه پالس داراي طول مدت محدودي است لذا بجاي یک فرکانس تکی، گستره اي از فرکانس ها تحریک می شوند که در نتیجه آن پراکندگی موجب اعوجاج شکل پالس می شود زیرا مولفه هاي فرکانسی مختلف با سرعت هاي متفاوتی حرکت می کنند. پس در طول انجام کار تجربی جلوگیري از تولید مدهاي ناخواسته بسیار حائز اهمیت است که با تکنیک هاي خاص مکانیکی و پردازش سیگنال مقدور است. از طرف دیگر چون سیگنال پیشروي کننده در طول زیادي باید گسترده شود باید سیگنال قوي تري ایجاد می گردید لذا براي این منظور یک پالس سیکلی سینوسی انتخاب گردید.
2-1 جنس مواد
مواد مرکب استفاده شده در مطالعه حاضر عبارت از پلاستیک تقویت شده با الیاف کربن - شرکت- SSP ایران - در 16 لایه با چیدمان می باشد . آنها بصورت ورق هاي در ابعاد 184-488 mm بریده شدند. ضخامت ورق ها بطور متوسط 2.5mm است. خواص مکانیکی ورقه هاي تک جهتی قابل محاسبه بوده ولی خارج از مقوله تحقیق می باشد.
-3 آنالیز اجزا محدود پیشروي امواج لمب در ورقه ها
3-1 مدل اجزا محدود
براي مدل سازي اجزا محدود مود اساسی غیر متقارن - - Ao لمب، از نرم افزارABAQUS استفاده گردید. یک شماي اختلاف مرکز به مرکز صریح براي بدست آوردن پاسخ سازه در نظر گرفته شد. به منظور اجتناب از انعکاس هاي حاصل از تفاوت هاي موجود در شبکه و امکان پذیر ساختن پیشروي موج مشابه در هر دو جهت y, x صفحه، یک شبکه یکنواخت از عناصر مربعی مورد استفاده قرار گرفت. شبکه مشتمل بر عناصر پوسته اي خطی با چهار گره داراي شش درجه ي آزادي و در هر گره - سه جابجایی وسه دوران - است.
رفتار عناصر پوسته اي می تواند بصورت برشی، خمشی و متقاطع مدل سازي شوند.
سیگنال ارسالی یک پالس سینوسی 20KHz محصور در یک پنجره ي به اصطلاح Hanning به ابعاد پنج در پنج می باشد. تحت محصول فرکانس- ضخامت به مقدار 46 kHz mm حاصل از پنجره، سرعت مود تجربی برابر 643 m / s ، ولذا طول موج تقریباً برابر 32mm به دست آمد. دستورالعمل بکار گرفته شده براي اندازه گیري تجربی سرعت هاي امواج و مود در مراجع 14,18 تشریح شده است.
اجزا مربعی 4mm طوري مورد استفاده قرار گرفتند که به ازاي هر طول موج، 8 گره وجود داشته باشد. مطابق شکل1 مدل سازي پاسخ فرستنده ها - ابعاد فرستنده - 20 4 mm در تلاقی با دوران هاي گذرا حول محور y روي گره هایی که ارائه دهنده ي لبه هاي آنها بود بر روي خطوطCD , AB انجام گرفت. در نهایت در مدل اجزا محدود از طریق کاهش کلیه خواص الاستیکی به مقدار%50 یک ناحیه ي آسیب معرفی گردید.
3-2 فاصله گذاري فرستنده ها
مرسوم است که آرایه هاي مبدل به منظور بازرسی بدون نیاز به اسکن در سازه هاي بزرگ بکار گرفته شوند. بدیهی است که در این تحقیق تعداد و فاصله فرستنده ها براي تحریک مود Ao موج لمب از طریق ایجاد یک میدان موجی یکنواخت جهت رصد آسیب تاثیر بسزایی داشته و در تکنیک آرایه ها شاید مهمترین پارامتر باشد.
هیچ آسیبی براي این بخش از آنالیز در نظر گرفته نشد و پاسخ قبل از منعکس شدن موج از لبه ي آزاد پیش بینی شده بود
میدان صوتی تولید شده توسط فرستنده هاي آرایه اي با هشت مبدل در شکل2 نشان داده شده است. در این شکل دامنه ماکزیمم سیگنال پیش رونده y در مقاطع متعددي از طول ورق از طریق نقطه یابی ترسیم و از طرفی مقادیر دامنه توسط دامنه ي پیک سیگنال تحریک نرمالیزه و بی بعد شده است. با استفاده از هشت فرستنده با فاصله اي برابر نیم طول موج از همدیگر موجی نسبتاً یکنواخت تولید شده و بالطبع انرژي بیشتري در ورق نسبت به تعداد کمتري از مبدل ها انتقال می یابد.
پالس تولیدي با یک الگوي دایره اي از هر یک از فرستنده ها دور می شود و کلیه جابجایی هاي القاء شده از هر فرستنده به منظور تشکیل موج پیشرونده روي همدیگر جمع می شوند. همچنین انعکاس از مرزها به پیچیدگی مسئله می افزاید. با وجود این، آنالیز نشان داد که وقتی آنها در ورق مورد آزمایش، تحت یک طول موج جدا از یکدیگر قرار داده شوند، یک موج با یکنواختی معقول تولید می شود و می تواند براي رصد و آشکار سازي آسیب مورد استفاده قرار گیرد.
شکل-2 میدان صوتی تولید شده توسط فرستنده هاي آرایه اي با هشت مبدل و در فاصله نیم طول موج از یکدیگر
3-3 اصول آشکارسازي آسیب
در مدل اجزا محدود، آسیب با کاهش %50 خواص الاستیکی در یک ناحیه ي معین در نقطه اي از ورق معرفی گردید. مطابق شکل3 تاریخچه زمانی سیگنال از اختلاف دوران y بین گره هاي خطوط AB و CD که با دامنه ي بیشینه سیگنال تحریک نرمالیزه شده، بدست آمد.
بالطبع اولین پالس پاسخ دریافتی بلافاصله پس از تحریک و آخرین پالس، انعکاس حاصل از لبه ي ورق است. قابل رویت است که همراه با پیشروي، سیگنال درامتداد طول پخش می گردد زیرا امواج با الگوي دایره اي از فرستنده دور می شوند. در نهایت یک سیگنال قوي و قابل قبول از ناحیه ي آسیب منعکس می شود، ولی گستردگی آن در امتداد عرض ورق هنوز بصورت تخمین بیش از حد است. دیده شد که استفاده از هشت مبدل ایده ال ترین بوده و بهترین حساسیت با کمترین وزن سازه را ایجاد خواهد نمود.
شکل-3 تاریخچه زمانی ناشی از آسیب در یک ورق مواد مرکب تحریک شده بوسیله ي هشت مبدل در فواصل نیم طول موج از یکدیگر
-4 آزمایشات روي ورق هاي مواد مرکب
4 - 1 تنظیم و انجام آزمایش تجربی
کامپیوتر شخصی پنتیوم با یک کارت مبدل آنالوگ به دیجیتال بهمراه نرم افزار Lab View جهت تولید سیگنال تحریک از فرستنده ها و به دنبال آن کسب و پردازش سیگنال از مبدل گیرنده مورد استفاده قرارگرفت. چهار مبدل فرستنده و چهار مبدل گیرنده به ابعاد 20 4 mm وبا ضخامت تقریبی 0.2 mm با فاصله یک طول موج32 mm در یکی از لبه هاي ورق به ترتیب به چهار کانال خروجی و ورودي متصل شده اند. آنها بصورت موازي به یک کانال خروجی آنالوگ کارت کسب داده ها متصل شده اند. یک پالس سینوسی 20 kHz با دامنه ي 10 V براي به کار انداختن همزمان فرستنده ها مورد استفاده قرارگرفت و زمان کسب داده ها طوري تنظیم شده که اولین انعکاس از لبه ي دور ورق مهار گردد.
حین تولید مواد مرکب یک ورق مسطح از جنس فیلم تفلون در مرکز ورقه بین لایه هاي اول و دوم جا زده شد لیکن با استفاده از C اسکن فراصوت وجود چنین لایه تفلونی آشکار نگردید. بنابراین به منظور شروع آسیب در مواد مرکب مورد نظر، با یک ساچمه به جرم 1.59 kgو به قطر 12.5 mm از ارتفاع هاي مختلف از میان مسیرهاي راهنما تست ضربه اجرا گردید.
4-2 نتایج آزمایش تجربی
مواد مرکب بصورت تکراري با سطوح انرژي مختلف در مرکز ورق تحت ضربه قرار گرفت. ارتفاع سقوط ضربه زن براي هر تست به مرور افزایش داده شد تا انرژي هاي ناشی از ضربه به اندازه هاي 15,12 ,10,8,5 ژول تولید گردد. در شکل5 سیگنال کسب شده از کانال 4 را براي ورق سالم و آسیب دیده نشان می دهد. انرژي ضربه 10J و آسیب ایجاد شده طبق تصویر C اسکن تقریباً به اندازه ي 280 mm2 اندازه گیري شد. موقعیت آسیب برابر 249.7 mm بود که با خطاي 2.3% از موقعیت واقعی - 244 mm - بدست آمده است.
در شکل5 دامنه ي پالس برخورد - - Ai و انعکاس هاي حاصل از ناحیه ي آسیب - - Ad و از لبه ورق مطابق اجزا محدود مقدار Ar نمایش داده شد. همچنین اختلاف هاي زمانی بین تحریک و انعکاس آسیب، td و انعکاس از مرز با TOFD تشریح و نمایش داده شده است. در شکل5 موقعیت آسیب بر مبناي زمان رسیدن انعکاس، Ad ، محاسبه شد. می توان درجه ي بحرانی بودن آسیب را با افزایشی در Ad یا کاهشی در Ar اندازه گیري نمود.
