Технічна діагностика та неруйнівний контроль, 2023, №04



2023 №04 (04)

DOI of Article 10.37434/tdnk2023.04.05

2023 №04 (06)

---

Технічна діагностика і неруйнівний контроль, 2023, №4, стор. 33-41

Розвиток оптико-цифрових методів неруйнівного контролю тонкостінних оболонкових конструкцій авіакосмічної техніки (Огляд)

Л.І. Муравський

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України. 79060, м. Львів, вул. Наукова, 5. E-mail: muravskyleon@gmail.com

Описано низку досліджень із діагностики та неруйнівного контролю напружено-деформованого стану тонкостінних циліндричних оболонкових конструкцій авіакосмічної техніки оптико-цифровими методами, зокрема методами тривимірної (3D) цифрової кореляції зображень (ЦКЗ) та лазерної фотограмметрії, які виконувались і постійно вдосконалювались протягом останніх десятиліть. Розглянуто результати експериментальних досліджень композитних і металевих оболонкових структур методами 3D ЦКЗ. Проаналізовано переваги методів 3D ЦКЗ під час синхронних вимірювань полів переміщень і деформацій поверхні за допомогою декількох цифрових кореляторів зображень, розташованих навкруги оболонкової конструкції, над тими методами 3D або 2D ЦКЗ, які забезпечують одночасну реєстрацію лише ділянки досліджуваної поверхні за допомогою одного корелятора. Показано ефективність цих методів для неруйнівного контролю динаміки зміни процесів деформування та руйнування поверхні за осьових і радіальних навантажень, а також для оцінювання коефіцієнта втрати стійкості оболонкової конструкції. Бібліогр. 44, рис. 3.
Ключові слова:: оболонкова конструкція, 3D цифрова кореляція зображень, цифровий корелятор зображень, композитна циліндрична оболонка, металева циліндрична оболонка, коефіцієнт втрати стійкості, осьові навантаження, радіальні навантаження

Надійшла до редакції 06.10.2023

Список літератури

1. Weingarten, V.I., Seide, P., Peterson, J.P. (1968) Buckling of thin-walled circular cylinders (No. NASA SP-8007), NASA.
2. Meyer-Piening, H.R., Farshad, M., Geier, B., Zimmermann, R. (2001) Buckling loads of CFRP composite cylinders under combined axial and torsion loading–experiments and computations. Composite. Structures, 53(4), 427–435. DOI: https://doi.org/10.1016/S0263-8223(01)00053-8
3. Geier, B., Klein, H., Zimmermann, R. (1991) Buckling tests with axially compressed unstiffened cylindrical shells made from CFRP. In: Buckling of Shell Structures, on Land, in the Sea and in the Air. Proc. of Int. Colloq. (Lyon, France), 498–507.
4. Geier B, Singh, G. (1997) Some simple solutions for buckling loads of thin and moderate thick cylindrical shells and panels made of laminated composite material. Aerospace Sci. and Technol., 1(1), 47–63. DOI: https://doi.org/10.1016/ S1270-9638(97)90023-7
5. Hühne, C., Rolfes, R., Tessmer, J. (2005) A new approach for robust design of composite cylindrical shells under axial compression. In: Spacecraft Structures, Materials and Mechanical Testing, 581, 1–8.
6. Hühne, C., Rolfes, R., Breitbach, E., Teßmer, J. (2008) Robust design of composite cylindrical shells under axial compression – simulation and validation. Thin-Walled Structures, 46(7–9), 947–962. DOI: https://doi.org/10.1016/j. tws.2008.01.043
7. Wagner, H.N.R., Hühne, C., Niemann, S., Khakimova, R. (2017) Robust design criterion for axially loaded cylindrical shells – Simulation and Validation. Thin-Walled Structures, 115, 154–162. DOI: https://doi.org/10.1016/j. tws.2016.12.017
8. Wagner, H.N.R., Hühne, C. (2018) Robust knockdown factors for the design of cylindrical shells under axial compression: Potentials, practical application and reliability analysis. Int. J. of Mechanical Sci., 135, 410–430. DOI: https://doi. org/10.1016/j.ijmecsci.2017.11.020
9. Wagner, H.N.R., Hühne, C., Janssen, M. (2020) Buckling of cylindrical shells under axial compression with loading imperfections: An experimental and numerical campaign on low knockdown factors. Thin-Walled Structures, 151, 106764. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tws.2020.106764
10. Khakimova, R., Castro, S.G., Wilckens, D. et al. (2017) Buckling of axially compressed CFRP cylinders with and without additional lateral load: Experimental and numerical investigation. Thin-Walled Structures, 119, 178–189. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tws.2017.06.002
11. Pan, B., Qian, K., Xie, H., Asundi, A. (2009) Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement: A review. Measurement Sci. and Technol., 20(6), 062001. DOI: https://doi. org/10.1088/0957-0233/20/6/062001
12. Sutton, M.A., Wolters, W.J., Peters, W.H. et al. (1983) Determination of displacements using an improved digital correlation method. Image and Vision Computing, 1(3), 133–139. DOI: https://doi.org/10.1016/0262-8856(83)90064-1
13. Sjödahl, M. (1998) Some recent advances in electronic speckle photography. Optics and Lasers in Engineering, 29(2–3), 125–144. DOI: https://doi.org/10.1016/S0143-8166(97)00081-X
14. Sutton, M.A., McNeill, S.R., Helm, J.D., Chao Y.J. (2000) Advances in two-dimensional and three-dimensional computer vision. In: Photomechanics, Berlin, Heidelberg, 323– 372.
15. Sutton, M.A., Orteu, J.J., Schreier, H. (2009) Image correlation for shape, motion and deformation measurements: Basic concepts, theory and applications. Springer Science & Business Media.
16. Муравський, Л.І. (2010) Методи спекл-кореляції для дослідження механічних властивостей конструкційних матеріалів. Київ, Наукова думка.
17. Dufour, J.-E., Hild, F., Roux, S. (2015) Shape, displacement and mechanical properties from isogeometric multiview stereocorrelation. The J. of Strain Analysis for Engineering Design, 50 (7), 470–487. DOI: https://doi. org/10.1177/0309324715592530
18. Лобанов, Л.М., Муравський, Л.І., Півторак, В.А., Вороняк, Т.І. (2017) Моніторинг напруженого стану елементів конструкцій з використанням електромагнітних хвиль оптичного діапазону. Т. 3: Технічна діагностика матеріалів і конструкцій: У довідн. пос. у 8-ми т. (З.Т. Назарчук, ред.), Львів, Простір-М.
19. Luo, P.F., Chao, Y.J., Sutton, M.A., Peters, W.H. (1993) Accurate measurement of three-dimensional deformations in deformable and rigid bodies using computer vision. Experimental Mechanics, 33(2), 123–132. DOI: https://doi. org/10.1007/BF02322488
20. Prasad A.K., Jensen K (1995) Scheimpflug stereocamera for particle image velocimetry in liquid flows. Applied Optics, 34(30), 7092–7099. DOI: https://opg.optica.org/ao/abstract. cfm?URI=ao-34-30-7092
21. Trilion Quality Systems. https://www.trilion.com/aramis
22. Correlated Solutions, Inc. VIC-3D. https://www.correlatedsolutions. com/vic-3d
23. Zhao, C., Matsuda, H., Lou, S. et al. (2013) Visualization of buckling on thin-walled cylindrical shell by digital image correlation method. Applied Mathematics and Information Sciences, 7(3), 999–1004. DOI: https://digitalcommons.aaru. edu.jo/amis/vol07/iss3/18
24. Wang, B., Zhu, S., Hao, P. et al. (2018) Buckling of quasiperfect cylindrical shell under axial compression: a combined experimental and numerical investigation. Int. J. of Solids and Structures, 130–131, 232–247. DOI: https://doi. org/10.1016/j.ijsolstr.2017.09.029
25. Wang B., Du, K., Hao, P. et al. (2019) Experimental validation of cylindrical shells under axial compression for improved knockdown factors. Int. J. of Solids and Structures, 164, 37– 51. DOI: https://doi.org/10.1016/j. ijsolstr.2019.01.001
26. Labans, E., Bisagni, C. (2019) Buckling and free vibration study of variable and constant-stiffness cylindrical shells. Composite Structures, 210, 446–457. DOI: https://doi. org/10.1016/j.compstruct.2018.11.061
27. Castro, S. G., Almeida Jr, J.H.S., St-Pierre, L., Wang, Z. (2021) Measuring geometric imperfections of variable – angle filament–wound cylinders with a simple digital image correlation setup. Composite Structures, 276, 114497. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114497
28. Peterson, J.P., Seide, P., Weingarten, V.I. (1968) Buckling of thin-walled circular cylinders. NASA SP-8007 (Technical Report).
29. Arbocz, J, Starnes Jr., J.H. (2002) Future directions and challenges in shell stability analysis. Thin-Walled Structures, 40(9), 729–754. DOI: https://doi.org/10.1016/S0263-8231(02)00024-1
30. Degenhardt, R., Kling, A., Klein, H. et al. (2007) Experiments on buckling and postbuckling of thin-walled CFRP Structures using advanced measurement systems. Int. J. of Structural Stability and Dynamics, 7(2), 337–358. DOI: https://doi.org/10.1142/S0219455407002253
31. ATOS Compact Scan. Mobile 3D scanner for a wide range of applications. https://www.gom.com/en/products/3d-scanning/ atos-compact-scan?keyword=atos%20compact%20 scan&device=c&network=g&gclid=Cj0KCQjw1OmoBh-DXARIsAAAYGSFwdUnAc-Y5Q4QgmagrJ-khc0hV-e-Dx_jQMVBlQsaQp71M8fQuoMcaAq5AEALw_wcB
32. Hühne C., Zimmermann R., Rolfes R., Geier B. (2002) Sensitivities to geometrical and loading imperfections on buckling of composite cylindrical shells. In: Proceedings of the European conference on spacecraft structures, materials and mechanical testing. CNES, Toulouse, France.
33. Degenhardt, R., Kling, A., Bethge, A. et al. (2010) Investigations on imperfection sensitivity and deduction of improved knock-down factors for unstiffened CFRP cylindrical shells. Composite Structures, 92(8), 1939–1946. DOI: https://doi. org/10.1016/j.compstruct.2009.12.014
34. Khakimova, R., Wilckens, D., Reichardt, J. et al. (2016) Buckling of axially compressed CFRP truncated cones: Experimental and numerical investigation. Composite Structures, 146, 232–247. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruct. 2016.02.023
35. ARAMIS Adjustable. https://www.gom.com/en/products/ 3d-testing/aramis-adjustable
36. Rudd, M.T., Eberlein, D.J., Waters, W.A. et al. (2023) Analysis and validation of a scaled, launch-vehicle-like composite cylinder under axial compression. Composite Structures, 304(1), 116393. DOI: https://doi.org/10.1016/j. compstruct. 2022.116393
37. Uriol Balbin, I., Bisagni, C., Schultz, M.R., Hilburger, M.W. (2020) Scaling methodology applied to buckling of sandwich composite cylindrical shells. AIAA J., 58(8), 3680– 3689. DOI: https://doi.org/10.2514/1.J058999
38. Schultz, M.R., Sleight, D.W., Gardner, N.W. et al.(2018) Test and analysis of a buckling-critical large-scale sandwich composite cylinder. In: 2018 AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 1693.
39. «Focus on Marshall» Highlights 10 Years of Space Station Support and World’s Largest «Can Crusher». YouTube, May, 20, 2013. https://www.youtube.com/watch?v=NLkzSchXXzE
40. NASA Buckling Test with Real Time Module (Correlated Solutions, Inc., 2023). https://www.correlatedsolutions.com/ application/nasa-buckling-test-real-time
41. Lovejoy, A.E., Hilburger, M.W., Gardner, N.W. (2018) Test and analysis of full-scale 27.5-foot-diameter stiffened metallic launch vehicle cylinders. In: 2018 AIAA/ASCE/ AHS/ ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Confer., 1989.
42. Gardner, N.W., Hilburger, M.W., Haynie, W.T. et al. (2018) Digital image correlation data processing and analysis techniques to enhance test data assessment and improve structural simulations. In: 2018 AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Confer., 1698.
43. Haynie W., Hilburger M., Bogge M. et al. (2012) Validation of lower-bound estimates for compression-loaded cylindrical shells. In: 53rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference 20th AIAA/ ASME/AHS Adaptive Structures Confer. 14th AIAA, 1689.
44. Hilburger M.W., Lindell M.C., Waters W.A., Gardner N.W. (2018) Test and analysis of buckling-critical stiffened metallic launch vehicle cylinders. In: 2018 AIAA/ASCE/ AHS/ASC structures, structural dynamics, and materials Confer., 1697.

---

Реклама в цьому номері:

---