بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر، افزایش روزافزون استفاده از وصلههای کامپوزیتی در ترمیم قطعات فلزی در صنایع مختلف از جمله لولههای انتقال نفت و گاز، مخازن تحت فشار و قطعات ترکدار هواپیما، نیاز به توسعهی سیستمهای پایش سلامت را برای این نوع روش ترمیم بیشتر کرده است. اطلاع از وضعیت رشد ترک در قطعه فلزی و جدایش وصله ی کامپوزیتی، به عنوان دو خرابی غالب در این نوع ترمیمها، نقش مهمی در تعیین میزان سلامت و کارایی ترمیم دارد.
مطالعهی حاضر به بررسی امکان پایش همزمان رشد ترک و جدایش در یک نمونهی فلزی ترمیم شده توسط وصلهی کامپوزیتی با هدف ارزیابی امکان تشخیص نوع خرابی در هر مرحله از رشد آسیب شامل ترک و جدایش با استفاده از روش امپدانس الکترومکانیکی، که یکی از روشهای مبتنی بر ارتعاشات است، میپردازد. برای رسیدن به این هدف، استفاده از دو سنسور پیزوالکتریک که یکی متصل به فلز و دیگری متصل به وصله کامپوزیتی میباشد، پیشنهاد شدهاست. بررسی شاخصهای آسیب نشان میدهد که دو آسیبِ جدایش و ترک اثرات متفاوتی روی اندازهگیریهای سنسورهای فلز و کامپوزیت دارند که این تفاوت میتواند مبنای تشخیص نوع آسیب قرار گیرد.
1. مقدمه
استفاده از وصلههای کامپوزیتی در ترمیم اجزاء ترکدار و یا خوردهشدهی قطعات فلزی صنایع مختلف، در سالهای اخیر به صورت وسیع مورد استفاده قرار گرفته است .[1] این روش، یکی از روشهای مقرون به صرفه جهت افزایش عمر سازه و حفظ کارایی آن میباشد .[2] استفاده از وصلههای ترمیمی نسبت به اتصالات مکانیکی و یا پرچها، مزایایی از قبیل بهبود رفتار خستگی، حفظ استحکام و سفتی، کاهش خوردگی و سهولت بهکارگیری در سطوح پیچیده را فراهم میکند .[1] دو آسیب عمده برای این نوع ترمیمها، جدایش وصله از سازه و رشد ترک زیر وصله میباشد.
اطلاع از وضعیت رشد ترک و جدایش، مهمترین عامل در تعیین میزان سلامت ترمیم و کارایی آن است. از آنجایی که آسیب قطعه فلزی پس از ترمیم قابل رویت نمیباشد، کسب درک صحیح از میزان کارایی ترمیم در قسمتهایی بحرانی سازه و خصوصاً قسمتهایی که در معرض دید نیستند و امکان انجام بازرسیهای غیرمخرب به راحتی در آن امکانپذیر نیست، بسیار دشوار است.
برای حل این مشکل استفاده از روشهای پایش سلامت سازهای جهت بررسی وضعیت این وصلها به صورت پیوسته خصوصاً در نقاطی از سازه که در دسترس نیستند ضروری به نظر میرسد. یکی از مهمترین ویژگیهای سازه های ترمیمشده، مشخص بودن محتملترین مکان رشد آسیب است. محل وصلهی کامپوزیتی به عنوان نقطهای از سازه که مستعد رشد دو نوع آسیب ترک و جدایش است، جز نقاط حساس1 سازه به شمار میرود. مشخص بودن مکان آسیب باعث می شود که نیازی به شناسایی مکان آسیب وجود نداشته باشد و در نتیجه استفاده از تکنیکهای موضعی پایش سلامت در دستور کار قرار گیرد.
تاکنون محققین زیادی استفاده از تکنیکهای پایش سلامت سازهای را برای پایش رشد ترک و جدایش به صورت مجزا به کار برده اند. چیلد و همکارانش [3]، به بررسی امپدانس در فرکانس های بالا برای کاربرد پایش سلامت در سازههای پیچیده پرداختند. آنها این روش را برای پایش سلامت یک چرخدنده استفاده کردند و تغییرات شاخص آسیب را در حضور ترک مشاهده کردند.
کواترون، برمن و کمفاوس [4]، استفاده از روش امپدانس الکترومکانیکی را برای پایش شروع ترک در خلال تست استاتیکی یک دیوار که با مصالح بنایی ساخته شده بود و با استفاده از کامپوزیت تقویت شده بود، گزارش کردند. این تحقیق نشان داد که تکنیک امپدانس الکترومکانیکی میتواند ترکهای اولیه موجود در سازه را خیلی سریعتر از تکنیکهای بصری تشخیص دهد. زاگرای و گیورگیتیو 5]، [6 نیز استفاده از روش امپدانس الکترومکانیکی را برای پایش ترک در یک صفحهی فلزی بررسی کردند. آنها ضمن استخراج روابطی برای ادمیتانس الکترومکانیکی، به صورت تجربی موفقیت این روش در پایش رشد ترک را گزارش کردند.
هون و همکاران [7] و کاوالینی و همکاران [8] نیز توانایی روش امپدانس الکترومکانیکی برای پایش رشد ترک گزارش کردند. چادری و همکارانش [9] به بررسی اتصال وصلهی کامپوزیتی به یک سازهی فلزی آسیبدیده با استفاده از تکنیک امپدانس الکترومکانیکی پرداختند. در این آزمایش، نمونه تحت بارگذاری خستگی قرار گرفت و رشد جدایش بین وصله و قطعه فلزی مورد بررسی قرار گرفت.
وقوع جدایش موجب تغییر در طیف امپدانس شد. چو و لیو [10] رابطهای را برای ادمیتانس الکترومکانیکی یک وصله پیزوالکتریک برای مدل آسیب جدایش یک وصله کامپوزیتی ارائه کرد. بویس و هوچارد [11]، ضمن مدلسازی امپدانس الکترومکانیکی برای جدایش بینلایهای برای یک کامپوزیت چندلایهای، حساسیت این روش را به حضور آسیب در کامپوزیت نشان دادند.
با وجود تحقیقاتی که روی پایش رشد ترک در فلز و جدایش در کامپوزیت انجام شده، تاکنون گزارشی مبنی بر پایش همزمان این دو آسیب در یک نمونهی فلزی تقویت شده با وصلهی کامپوزیتی ارائه نشده است. هدف از این مطالعه بررسی امکان پایش همزمان این دو مود خرابی در یک نمونهی ترمیم شده است که در آن نهایتاً باید بتوان تشخیص داد که در هر مرحله از رشد آسیب، ترک رشد داشته یا جدایش پیشرفت کرده است.
برای این منظور استفاده از دو سنسور، که یکی متصل به فلز و دیگری متصل به کامپوزیت است پیشنهاد میشود. انتظار میرود که رشد دو نوع آسیبِ جدایش و ترک اثرات متفاوتی در اندازهگیریهای انجامشده توسط دو سنسور داشته باشند و از این تفاوت بتوان در تشخیص این موضوع که کدام آسیب در حال پیشروی است، استفاده کرد.
2. بیان مسئله
مسئلهی مورد بررسی، امکانسنجی پایش همزمان ترک و جدایش در یک نمونهی فلزی ترک دار تقویتشده با وصلهی کامپوزیتی به روش امپدانس الکترومکانیکی می باشد. نمونه، یک قطعه آلومینیومی از جنس به ابعاد میلیمتر است که یک وصله کامپوزیتی از جنس الیاف شیشه/اپوکسی به ابعاد میلیمتر به آن متصل شده است.
نمونهی آزمایش و موقعیت سنسورها بر روی وصله و نمونه ی فلزی در شکل - 1 - نشان داده شده استدر. این تحقیق صرفاً تاثیر تغییرات هندسی که آسیب جدایش و یا ترک روی نمونه میگذارند مورد بررسی قرار میگیرند و نمونهها در شرایط محیطی و بارگذاری ثابت تحت آزمایش قرار می گیرند. برای تشخیص نوع آسیب، تغییرات حاصل از ایجاد دو آسیب جدایش و ترک بر طیف امپدانس الکترومکانیکی مورد تجزیه و تحلیل قرار خواهد گرفت.
آسیبهای ترک و جدایش به صورت تجمعی2 در نمونه ایجاد می شوند و پس از هر مرحله از رشد آسیب، دادهبرداری از سنسورها جهت بررسی تغییرات طیف امپدانس الکتریکی آن، انجام می شود . آسیب در هر مرحله به صورت DmCn نشان داده میشود که در آن D مخفف Debonding و C مخفف Cracking میباشد؛ m و n نیز اعداد صحیحی هستند که بیانگر سطح آسیب به ترتیب برای جدایش و ترک می باشند. در هر مرحله از رشد ترک، ترک به اندازه 5 میلی متر و در هر مرحله از رشد جدایش، جدایش به اندازه %20 سطح کل رشد کرده است - شکل . - - 2 - به عنوان مثال سطح آسیب D2C1 به این معنا است که وصله کامپوزیتی به اندازه 40 درصد مساحت کل وصله از آن جدا شده و ترکی به اندازه 5 میلی متر در فلز وجود دارد.
