Регистрация / Вход
Прислать материал

14.584.21.0019

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.584.21.0019
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого"
Название доклада
Влияние экспериментально полученных форм импульса тока молнии на механические характеристики композитных структур
Докладчик
Korovkin Nikolay Vladimirovich
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка новых методов экспериментальных исследований повреждений композитных материалов, вызванных реальными импульсами токов молнии.
Сбор и статистический анализ экспериментально зарегистрированных форм импульсов тока молнии положительной и отрицательной полярности, полученных в основном на измерительном комплексе на антенне Сентис в Швейцарии в течение не менее 5 лет.
Разработка не имеющего аналогов генератора импульсов тока близких к измеряемым импульсам тока молнии, особенностью которого является суперпозиция постоянной составляющей тока молнии длительностью несколько десятых долей секунды и серии импульсов тока различной амплитуды, но не превышающей 50 кА.
Изготовление серии как минимум 40 экспериментальных образцов из композитных материалов с применением передового оборудования Швейцарского технологического института г. Лозанны по технологии литьевого формирования полимеров под вакуумом (VARTM) и с использованием наноматериалов, углеволокна и стекловолокна.
Проведение исследовательских испытаний изготовленных образцов на предмет повреждений реальными и стандартизованными импульсами тока молнии с помощью установки, разработанной в рамках данного проекта и не имеющей подобных ей аналогов.
Создание методики молниестойкости образцов из композитных материалов с учетом возможных разрушений и предварительного действия импульсных магнитных полей.
Совершенствование технологии изготовления и испытания на молниестойкость лопастей ветровых генераторов.
Актуальность и новизна исследования
Углепластик все более широко применяется при конструировании лопастей ветрогенераторов для усиления элементов из стекловолокна. Современные ветрогенераторы с лопастями длинной до 45-65 м, используют углепластик для основных несущих элементов. Одновременное присутствие элементов из углепластика, которые частично проводят электрический ток и элементов из стекловолокна, которые являются изолято-рами, значительно усложняет необходимую систему молниезащиты. Для выработки эффективных техниче-ских решений необходимо исследовать все факторы, приводящие к ухудшению механических свойств ком-позитных материалов и их разрушению под воздействием токов молнии.
Регистрация в течении 5 лет разрядов молний в антенну высотой 121 м, расположенной на вершине горы Сентис в Швейцарии, показала, что основные различия между стандартным и экспериментально наблюда-емым молниевым разрядом состоят в том, что максимальное значение импульса тока в стандарте сильно завышено, а величина переносимого заряда сильно занижена. Подробный анализ и сопоставление форм импульсов тока молнии будет выполнено в рамках данного проекта.
Инновационный подход данного проекта состоит в определении повреждений на образцах, подвергнутых разрядам близким к реальным разрядам молнии. Это позволит наиболее полно и достоверно охарактеризо-вать развитие повреждений на образцах, а также разработать физико-математические модели, корректно описывающие изменение механических свойств композитных материалов.
Описание исследования

Литературный поиск показал, что необходимые нам частотные характеристики (композитные углепластиковые материалы с многослойной анизотропией и с интегрированными проводящими сетками) не публикуются авторами. Понятно, что фирмы-производители таких композитных материалов имеют соответствующие данные, но в представлении их для публичного использования не заинтересованы.

Это привело нас к необходимости разработки новой ячейки (экспериментальной установки) для экспериментального определения необходимых нам частотных характеристик. Для исследования была выбрана ячейка в виде двух коаксиальных круговых цилинров, в которую помещается исследуемый композитный материал. При этом оси анизотропии должны ориентироваться в различных опытах в различных взаимно перпендикулярных направлениях. Такая геометрическая структура ячейки была выбрана в виду того, что наряду с экспериментом, возможно аналитическое решение задачи, позволяющее дать численные значения исковых частотных характеристик материалов. Это решение приведено ниже.

Для получения частотных характеристик бы выполнен расчет установившего режима распределения электромагнитного поля в коаксиальной ячейке с полупроводящем слоем диэлектрика в квазистационарном приближении. По выполненному решению нами в рамках настоящего проекта планируется разработка нового устройства (и оформление патента на него), позволяющего выполнять измерения частотных характеристик анизотропных композитных материалов до частот 30 МГц.

Особенности поражения молнией лопастей ветрогенераторов связаны с большой амплитудой 10-100 кА с характерным временем нарастания ~1 мкс основного тока и длительного тока сопровождения. При действии тока молнии конструкция лопасти может быть частично разрушена, свойства материалов могут быть изменены с потерей функциональных характеристик, в некоторых случаях наблюдается возгорание материала лопастей. Для прогнозирования поведения лопасти, подвергаемой действию тока молнии, один из этапов работы направлен на изучение влияния тока молнии на изменение механических характеристик материала лопасти.

Импульсное энерговыделение при ударе молнии сопровождается не только большой токовой нагрузкой, но и интенсивным ударно-волновым нагружением элементов конструкции вблизи пятна входа тока молнии. Для исследования параметров материала в условиях ударно-волнового механического воздействия в настоящем проекте применяется магнитно-импульсный способ.

Сложность описания процесса разрушения определяется влиянием многочисленных факторов и особенностей, зависящих от характеристик материала, параметров воздействия, многообразия вида и структур силовых полей при испытаниях.

Снижение прочностных характеристик и несущей способности образцов происходит вследствие нарушения однородности структуры материала и появления зон разрыва сплошности материала. Вопросам формирования и развития трещин в различных режимах нагружения посвящены многочисленные исследования, однако к настоящему времени адекватное описание хрупкого разрушения в условиях импульсного нагружения окончательно не сформировано.

Эксперименты, проведенные на различных материалах, демонстрируют пороговый характер разрушения и увеличение разрушающей амплитуды с уменьшением длительности импульса нагрузки при разрушении как бездефектных образцов, так и образцов с макродефектами типа трещин. Ниже приведены особенности импульсного воздействия и предварительные результаты анализа разрушения материалов при ударно-волновом нагружении.

Особенности и преимущества импульсного воздействия. При импульсном воздействии реализуются схемы нагружения, в которых:

  • формируется поле напряжений, пространственная локализация которого существенно меньше размеров образца (ударно-волновой режим);
  • нагружение происходит при известных и контролируемых в процессе формирования нагрузки параметрах;
  • образец может рассматриваться как энергетически замкнутая система, т.к. после окончания импульса нагрузки энергообмен между образцом и загрузочным устройством отсутствует.

Режимы нагружения с такими характерными особенностями реализуются на лабораторном уровне при исследовании разрушения материалов в откольной схеме нагружения. Кроме откольных схем магнитоимпульсный способ нагружения позволяет реализовать импульсное нагружение с отмеченными выше особенностями и при исследовании разрушения образцов с макродефектами типа трещин.

 

 

Результаты исследования
  1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной-методической литературы.
  2. Определения характерных реальных форм импульсов токов молнии на основе результатов измерений с помощью системы регистрации молнии на антенне Сентис и результаты классифицирования многолетних измерений токов молнии на антенне Сентис и статистической оценки основных параметров молниевых разрядов.
  3. Создание образцов композитных материалов из стеклопластика и углепластика, с механическими и электрическими свойствами близкими к композитным материалам, применяемым в авиационной промышленности и в ветроэнергетике и исследование механических характеристик изготовленных образцов.
  4. Разработка программы испытаний образцов и результаты экспериментальной проверки согласованных режимов генерации импульсов тока с заданными параметрами и сравнение полученных данных при испытании образцов токами, соответствующие стандартизированной форме волны и соответствующие реальной форме волны.
  5. Результаты исследования поведения образцов при программируемой ударной нагрузке, создаваемой магнитоимпульсным способом в магнитных полях с индукцией 8-10 Т.
  6. Результаты неразрушающего контроля с использованием рентгенографии и томографии образцов, после воздействия токов молнии на образцы. Анализ повреждений, наблюдаемых после воздействия на образцы импульсов токов молнии, импульсных полей и импульсных механических нагрузок. Анализ методов их возникновения и механических характеристик образцов после испытаний.
  7. Разработка новой мультифизической численной модели, позволяющей оценить повреждения композитных материалов и сопоставление результатов моделирования и экспериментально наблюдаемых повреждений.
Практическая значимость исследования
1. Рекомендации по повышению стойкости композитных материалов к воздействиям токов молнии и по улучшению систем молниезащиты для лопастей ветрогенераторов и элементов конструкций современного воздушного транспорта, в которых применяются композитные материалы.
2. Разработка новых методов оценки молниестойкости образцов из композитных материалов, в которых используются реальные (экспериментально подтвержденные) формы импульсов токов молнии и исследования поведения образцов при программируемой ударной нагрузке, создаваемой магнитоимпульсным способом в магнитных полях с индукцией 8-10 Т.
2. Техническая документация и экспериментальная установка для проведения исследований молниестойкости образцов из композитных материалов на основе генератора тока, способного выдавать импульсы с необходимыми параметрами для проведения исследований молниестойкости образцов.


Постер

2.ppt