Применение интеллектуальных материалов при производстве, диагностировании и ремонте машин
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Машиностроительные материалы и изделия
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Год издания: 2011
Кол-во страниц: 173
Дополнительно
В монографии рассмотрены технические свойства интеллек- туальных материалов и области их практического применения при производстве, диагностировании и ремонте транспортных, строительных, коммунальных машин, а также строительных кон- струкций. Показаны преимущества и недостатки интеллектуаль- ных материалов. Монография отличается большой практической направленностью и поможет специалистам выбрать материал для ремонта и диагностирования. Монография предназначена для широкого круга специа- листов и может быть использована студентами и аспирантами высших учебных заведений в качестве учебного пособия.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ) В.А. ЗОРИН, Н.И. БАУРОВА ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ, ДИАГНОСТИРОВАНИИ И РЕМОНТЕ МА ШИН МОНОГРАФИЯ МОСКВА 2011
УДК 62:004.891.3 ББК 30.82-08 З 862 Рецензент: зав. кафедрой «Технология металлов» Московского государственного строительного университета, д-р техн. наук, профессор Ю.И. Густов Зорин, В.А. З 862 Применение интеллектуальных материалов при производстве, диагностировании и ремонте машин: монография / В.А. Зорин, Н.И. Баурова. – М.: МАДИ, 2011. – 173 с. В монографии рассмотрены технические свойства интеллектуальных материалов и области их практического применения при производстве, диагностировании и ремонте транспортных, строительных, коммунальных машин, а также строительных конструкций. Показаны преимущества и недостатки интеллектуальных материалов. Монография отличается большой практической направленностью и поможет специалистам выбрать материал для ремонта и диагностирования. Монография предназначена для широкого круга специалистов и может быть использована студентами и аспирантами высших учебных заведений в качестве учебного пособия. УДК 62:004.891.3 ББК 30.82-08 © Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), 2011
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ……………………………………………..…………………. 5 1. Введение в интеллектуальное материаловедение ….…. 6 1.1. Понятие интеллектуальных материалов и технологий.. 6 1.2. Общие сведения о моделировании наноструктурированных материалов и конструкций …………….………... 13 1.3. Методология применением интеллектуальных наноструктурированных материалов при производстве, диагностировании и ремонте машин …………………...…….. 25 2. Интеллектуальные материалы, применяемые при производстве, диагностировании и ремонте машин…… 34 2.1. Оптические сенсоры ………………………….……….…… 34 2.2. Пьезокомпозитные датчики ………………………..……… 38 2.3. Материалы с эффектом памяти формы ……………....... 44 2.4. Жидкокристаллические полимерные материалы …..…. 49 2.5. Магнитострикционные материалы …………..………..…. 55 3. Интеллектуальные материалы на базе углеродных волокон ……………………………………………………………... 58 3.1. Общие сведения об углеродных волокнистых наполнителях …………………………………………..….… 59 3.2. Оценка интеллектуальных свойств углеродных волокон ………………………………………..……………… 63 3.3. Влияние нанодефектов углеродных волокон на их интеллектуальные свойства ……………………………… 72 3.4. Прогнозирование работоспособности углеродных волокон в системах диагностирования …………………. 83 4. Технология применения интеллектуальных материалов на базе углеродных волокон при производстве, диагностировании и ремонте машин ……..………………… 86 4.1. Определение оптимальной схемы монтажа диагностических датчиков на конструкции ………………….….. 87 4.2. Влияние способа крепления углеродного волокна на конструкции ……………………………………………....….. 94
4.3. Технология крепления углеродного волокна к приборам в процессе снятия показаний ………………..………. 97 4.4. Влияние постоянного и переменного токов на точность диагностирования с использованием углеродных волокон……………………………………………………..…. 101 5. Использование интеллектуальных материалов при решении инженерных задач ……………………………...….... 103 5.1. Метод диагностирования с использованием углеродных волокон ………………………………………………….. 104 5.2. Метод диагностирования с использованием углеродных волокон и жидкокристаллических полимерных материалов …………………………………………………... 112 5.3. Метод диагностирования с использованием нанокапсулированных красителей …………………………..….…. 118 6. Методы и средства измерения прочности и стойкости интеллектуальных материалов к воздействию эксплуатационных и технологических факторов ……………..……. 127 6.1. Определение влияния эксплуатационных факторов .... 127 6.2. Определение влияния климатических факторов ……... 138 6.3. Определение влияния технологических факторов ….... 145 7. Интеллектуальные материалы в природе …………..……. 148 7.1. Природные неорганические интеллектуальные композиционные материалы ……………………………... 148 7.2. Древесные интеллектуальные материалы ……..……… 155 7.3. Интеллектуальные адгезивные природные материалы ………………………….…………………….… 160 Литература ………………………………………...……………….…... 167
ВВЕДЕНИЕ Технический прогресс в значительной степени порождает необходимость разработки новых и совершенствование известных методов контроля технического состояния элементов машин и строительных конструкций. В сложившихся условиях развития методов определения состояния сложных механических систем формируется тенденция к проведению контроля технического состояния машин на всех этапах жизненного цикла: проектирования, изготовления, эксплуатации, ремонта и модернизации. Такой подход позволяет повысить не только эффективность диагностирования машин и строительных конструкций, но и их надежность. Интеллектуальная индустрия (в том числе интеллектуальная наноиндустрия) является принципиально новой отраслью промышленности. За последнее десятилетие количество научных публикаций в этой области существенно превышает количество публикаций по всем прочим направлениям развития науки. Такой повышенный научный интерес связан с широчайшими областями применения и колоссальными возможностями, которые открывают перед человечеством наноматериалы и нанотехнологии. Исследования эксплуатационных свойств, увеличение объемов производства и снижение стоимости интеллектуальных наноматериалов уже в ближайшее время обеспечат их применение во всех отраслях промышленности. Интеллектуальные технологии уже в наше время широко применяются в самых различных отраслях машиностроения. Дальнейшему расширению их использования препятствует недостаточная осведомленность инженерных и научных работников в вопросах прочности, надежности и долговечности интеллектуальных материалов. В предлагаемой монографии рассматриваются технические свойства интеллектуальных материалов и области их практического применения при производстве, диагностировании и ремонте транспортных, строительных, коммунальных машин, а также строительных конструкций.
1. ВВЕДЕНИЕ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В истории развития материалов насчитывалось пять поколений. Материалами первого поколения были камень и дерево; второго поколения – керамика, медь, бронза, железо, сталь, алюминий, титан; третьего – синтетические материалы, такие как смолы, каучуки и волокна. Материалами четвертого поколения считаются композиционные материалы, а к пятому поколению относятся интеллектуальные материалы. В последние годы все большее внимание уделяется разработке интеллектуальных материалов и конструкций, которые способны реагировать на изменение внешних или внутренних условий (изменяя свое статическое и динамическое поведение) и именно поэтому могут быть использованы в качестве сенсоров. Такие материалы называют «адаптивными» («adaptive»), «управляемыми» («controlled»), активными («active»), «самонастраивающимися», «разумными» («smart») или «интеллектуальными» («intelligent»). В России эти материалы чаще всего называют интеллектуальными, причем слово «интеллектуальный» кавычками не выделяют. 1.1. Понятие интеллектуальных материалов и технологий Идея создания интеллектуальных материалов, обладающих способностью самостоятельно диагностировать свое состояние, принадлежит японскому профессору Тошинори Такаги, который первым предложил проектировать конструкции, которые обладали бы свойствами нейрона в живом организме [6]. Для практической реализации этой идеи необходимо было первоначально найти элементы, которые характеризовались бы высокой чувствительностью к механическому состоянию конструкции. Большой вклад в развитие интеллектуальные материалов и конструкций внесли русские ученые С.П. Губин, А.И. Гусев, Ю.И. Петров, А.А. Ремпель, А.С. Розенберг, Г.Б. Сергеев, И.П. Суздалев, Ю.Д. Третьяков и многие другие [24-25; 67]. Некоторые авторы полагают [7; 20; 69], что материал является интеллектуальным, если он способен получать информацию и реа
гировать на изменение внешних или внутренних условий. Способность материалов получать информацию и реагировать аналогична способности живых организмов чувствовать и двигаться. В общем виде интеллектуальный материал можно представить, как материал с четырьмя встроенными функциями (рис.1.1): процессорной, сенсорной, исполнительной и восстановительной. Рис. 1.1. Структура интеллектуального материала На рис. 1.2 и рис. 1.3 показаны структурные схемы регистрации сигналов, получаемых датчиками, встроенными в интеллектуальную конструкцию. Более простая схема анализа информации показана на рис. 1.2. Ее основным недостатком является отсутствие обратной связи. Схема на рис. 1.3 имеет замкнутый цикл, она позволяет изменять порядок обработки информации и имеет возможность анализировать информацию, поступающую от различных источников. Данная схема позволяет проводить проверку, обеспечивает анализ работы датчиков и является наиболее универсальной для описания работы большинства интеллектуальных материалов. По оценкам многих экспертов, в ближайшем будущем создание интеллектуальных материалов будет осуществляться по пути проектирования интеллектуальных конструкций, которые разделяют на три группы [6]. Интеллектуальные конструкции I типа (пассивные), которые могут диагностировать свое состояние в процессе эксплуатации.
Интеллектуальные конструкции II типа (активные), способные не только диагностировать свое напряженно-деформированное состояние, но и подстраиваться под изменение внешних условий, в том числе и путем изменения формы и свойств. Такие конструкции обладают способностью обнаруживать появление неисправностей (повреждений) и принимать меры для устранения или смягчения их последствий. Интеллектуальные конструкции III типа, способные к обучению и изменяющие свою реакцию в зависимости от приобретенного опыта. Перечисленные выше виды конструкций можно реализовать путем внедрения чувствительных элементов или силовых приводов в материалы. К группе интеллектуальных конструкций I рода относится достаточно большая группа конструкций, при изготовлении которых использованы материалы, обладающие рядом специальных свойств. В качестве одного из наиболее простых примеров можно привести широко распространенные огнезащитные материалы [38]. Эти материалы способны в процессе своей эксплуатации при возникновении специальных условий (в данном случае огня) резко изменять свои свойства и превращаться из обычных, казалось бы, декоративных лакокрасочных покрытий в «вспучивающиеся». Эти материалы были специально разработаны для огнезащиты, поскольку они не только трудновоспламенимы и обладают способностью к самозатуханию, но и препятствуют распространению горения в открытом пламени. Интеллектуальная составляющая этих материалов состоит в том, что под действием огня происходит самопроизвольное увеличение их толщины с образованием прочного и пористого углеродного каркаса, который выполняет роль тепловой изоляции и сам не выделяет токсичных веществ. Другим примером простейшего интеллектуального материала на основе полимерных композитов является термодеформируемые инверсирующие (т.е. самопроизвольно восстанавливающиеся) угле- и стеклопластики [7]. Эти материалы при определенных температурных условиях обладают способностью к полному восстановлению формы.
Рис. 1.2. Общая схема регистрации интеллектуальным материалом внешних воздействий Первичный электрический сигнал Первичный электрический сигнал Вторичный датчик Вторичный электрический сигнал Обработка данных Предварительная обработка Выделение признаков Обработка Распознавание образов Решение Интеллектуальный материал Первичный сенсор, регистрирующий изменение структуры материала Механические нагрузки Тепловое воздействие Химическое воздействие Параметры окружающей среды Интеллектуальный материал Первичный сенсор, регистрирующий изменение структуры материала Механические нагрузки Тепловое воздействие Химическое воздействие Параметры окружающей среды
Рис. 1.3. Общая схема регистрации интеллектуальным материалом внешних воздействий с обратной связью Интеллектуальный материал Контроль Калибровка Обработка образа Выделение черт Учет условий Принятие решений Обработка информации Механические нагрузки Тепловое воздействие Химическое воздействие Параметры окружающей среды Первичный сенсор, регистрирующий изменение структуры материала