MOŻNA SKUTECZNIEJ MONITOROWAĆ USZKODZENIA ELEMENTÓW KONSTRUKCJI

Monitorowaniu stanu uszkodzenia elementów konstrukcji mogą służyć fale sprężyste. Nad wykorzystywaniem ich właściwości pracują naukowcy z Instytutu Maszyn Przepływowych PAN http://www.imp.pg.gda.pl/ w Gdańsku.

Wyniki prac zespołu przedstawił prof. Wiesław Ostachowicz na 21. Kongresie ICTAM http://ictam04.ippt.gov.pl (Międzynarodowy Kongres Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej), który odbywa się w Warszawie.

GROŹNE NIEZIDENTYFIKOWANE USZKODZENIA

Jak wyjaśnia prof. Ostachowicz, niezidentyfikowane uszkodzenia, które mogą występować m.in. w budynkach, samolotach, czy zbiornikach - mogą powiększać się i spowodować katastrofę całej konstrukcji.

Przyczyną poważnych katastrof mogą być tzw. pęknięcia zmęczeniowe, delaminacje (rozwarstwienie laminatu), czy uplastycznienie.

Informacje dotyczące występowania w elementach konstrukcyjnych uszkodzeń można uzyskać za pomocą różnego rodzaju nieniszczących metod detekcyjnych.

Należą do nich m.in. badania radiograficzne, ultradźwiękowe i magnetyczne.

Jednak, jak tłumaczy prof. Ostachowicz, metody te mogą być zawodne w przypadku dużych konstrukcji stalowych - platform wiertniczych, mostów, kratownic, czy szkieletów budynków.

Mała ich efektywność zauważalna jest także w przypadku badania obszarów o utrudnionym dostępie: stref silnego promieniowania, elementów konstrukcyjnych będących w ruchu - wirników silników wiatrowych i łopat śmigłowców, czy kadłubów samolotów i statków.

LOKALNE I GLOBALNE METODY DETEKCJI

Nieniszczące metody wykrywania uszkodzeń można podzielić na dwie grupy - metody lokalne i globalne.

Jak wyjaśnia prof. Ostachowicz, metody lokalne stosowane są do wykrywania uszkodzeń w bezpośrednim sąsiedztwie sond pomiarowych.

Do metod tych należą badania radiograficzne, ultradźwiękowe, magnetyczne oraz inspekcja wizualna, pomiary odkształceń i technika warstwic termicznych.

\"Niestety, większość tych metod cechują wady objawiające się m.in. trudnościami ich stosowania w przypadku konieczności monitorowania złożonych konstrukcji o dużych gabarytach\" - mówi prof. Ostachowicz.

Naukowcy pracują od kilkunastu lat nad metodami globalnymi pozwalającymi wykrywać uszkodzenia z dala od miejsca położenia czujników - w konstrukcjach mających duże gabaryty, czy trudno dostępnych miejscach, a także w czasie pracy urządzeń.

OBIECUJĄCE METODY GLOBALNE

Jak tłumaczy Ostachowicz, w grupie metod globalnych obserwujemy intensywny rozwój kilku nowoczesnych technik badań nieniszczących.

Do najbardziej obiecujących, w ocenie naukowca, należą:

* metoda emisji akustycznej (ang. Acoustic Emission - AE),

* metoda obserwacji zmian odkształceń we włóknach czujników optycznych (ang. Optical Fiber Sensors - OFS),

* metody wibracyjne (Vibration-Based Methods - VBM)

* i metoda ciągłego monitorowania żywotności konstrukcji (ang. Structural Health Monitoring - SHM).

Naukowcy z Gdańska zajmują się unowocześnianiem metody wykrywania uszkodzeń w różnego rodzaju elementach konstrukcyjnych w fazie ich początkowego rozwoju za pomocą ostatniej z wymienionych technik (ciągłego monitorowania żywotności konstrukcji).

CIĄGŁE MONITOROWANIE ŻYWOTNOŚCI

Stosowanie tej metody może być szczególnie przydatne w wykrywaniu wad w samolotach i w budownictwie lądowym.

\"Technika ta polega na ciągłej obserwacji rozchodzenia się fal sprężystych, czyli na pomiarze i analizie zmian sygnałów - naprężeń - w określonych miejscach konstrukcji, wywołanych różnego rodzaju uszkodzeniami\" - wyjaśnia prof. Ostachowicz.

Jak mówi, uszkodzenia - m.in. pęknięcia, czy pustki występujące w elementach konstrukcyjnych - powodują lokalne zmiany ich sztywności, co znajduje swoje odzwierciedlenie w zmianach rozchodzenia się (propagacji) fal sprężystych w takich konstrukcjach.

Badacze z Gdańska opracowali specjalne procedury obliczeń numerycznych w tej metodzie detekcji.

Wykorzystano w nich tzw. technikę spektralnych elementów skończonych (w odróżnieniu od tzw. techniki elementów skończonych).

ELEMENTY SPEKTRALNE I SKOŃCZONE

\"Elementy spektralne różnią się zasadniczo od powszechnie stosowanych od ponad 30 lat elementów skończonych\" - zwraca uwagę prof. Ostachowicz.

Ich cechą wyróżniającą jest, jak wyjaśnia, przyjęcie funkcji kształtu elementów w postaci związków (funkcje zależne od częstości i parametrów przestrzeni), które są ścisłymi rozwiązaniami różniczkowych równań falowych.

Uzależnienie przemieszczeń węzłów tych konstrukcji zależy także od częstości i przestrzeni.

Elementy spektralne są w związku z tym bardziej niż elementy skończone wrażliwe na zakłócenia propagacji fal sprężystych.

Zmiany rozchodzenia się fal sprężystych, a następnie obliczanie numeryczne, które opracowali naukowcy z Gdańska, umożliwiają wykrywanie uszkodzeń w konstrukcjach, które zostały wykonane z materiałów posiadających cechy izotropowe (stal, czy aluminium - posiadające takie same własności fizyczne we wszystkich kierunkach), czy anizotropowe (np. kompozyty).

SHM TO NIE ULTRADŹWIĘKI!

Jak zaznacza naukowiec, metoda SHM nie ma nic wspólnego z powszechnie stosowaną metodą badań konstrukcji falami ultradźwiękowymi.

Metoda ultradźwiękowa może być stosowana w określonych warunkach, tzn. wtedy, gdy głowica sondująca jest blisko materiału badanego. Wykorzystuje się ją m.in. w okresowych przeglądach maszyn i urządzeń, np. przeglądzie samolotu na ziemi.

Z kolei zaletą metody SHM jest fakt, że pomiary można wykonywać w czasie pracy maszyny, np. samolotu.

Prof. Ostachowicz zapewnia, że metoda ta może być stosowana tam, gdzie istnieje konieczność szybkiego wykrywania wszelkich nieprawidłowości w stanie funkcjonowania konstrukcji, np. w przypadku przebicia powłoki zbiornika, uszkodzeń kadłubów samolotów, pęknięciach w przęsłach mostów, czy kadłubach statków.

Prof. Ostachowicz zwraca uwagę, że podobne prace nad zastosowaniem fal sprężystych do monitorowania stanu uszkodzenia elementów konstrukcji prowadzi jedynie kilka ośrodków naukowych na świecie.

Gdańscy naukowcy współpracują m.in. z firmą Rolls-Royce http://www.rolls-royce.com/ za pośrednictwem Uniwersytetu w Glasgow http://www.gla.ac.uk/ oraz z monachijską firmą EADS http://www.eads.net/ (European Aeronautic Defence and Space Company) i jej ośrodkiem zajmującym się lotnictwem wojskowym - Military Aircraft.

PAP - Nauka w Polsce, Bogusława Szumiec-Presch

18 sierpnia 2004