ZB14 - Materiały inteligentne - oraz bazujące na nich systemy zespolone Kierownik zadania badawczego Z14: Prof. Jan Holnicki-Szulc IPPT PAN Program Operacyjny.

Prezentacja na temat: "ZB14 - Materiały inteligentne - oraz bazujące na nich systemy zespolone Kierownik zadania badawczego Z14: Prof. Jan Holnicki-Szulc IPPT PAN Program Operacyjny."— Zapis prezentacji:

1 ZB14 - Materiały inteligentne - oraz bazujące na nich systemy zespolone Kierownik zadania badawczego Z14: Prof. Jan Holnicki-Szulc IPPT PAN Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka 2007-2013 Indywidualny projekt kluczowy „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone

2 Wskazanie kierunków rozwoju technologii ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone SES KONCEPCJA OPROGRAMOWANIE MATERIAŁ INTELIGENTNY ELEKTRONIKA APLIKACJE INNOWACYJNE SES – ang. Smart Embeded Systems SHM Adaptacyjna poduszka powietrzna Adaptacyjne skrzydło Aktywne tłumienie drgań Monitorowanie obciążeń (on-line, off-line)‏ Sterowanie opływem Adaptacyjna wibroakustyka Wykonawcy: IPPT PAN, Politechnika Lubelska, IMP PAN, Instytut Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska, Politechnika Warszawska ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone

3 ZB14.2: SHM - Identyfikacja delaminacji w czasie rzeczywistym Cel zadania badawczego: Opracowanie metody identyfikacji delaminacji w konstrukcjach warstwowych, bazującej na zintegrowanej z konstrukcją siatce czujników piezoelektrycznych Aktualnie prowadzone prace badawcze: 1.Przegląd prowadzonych dotychczas badań dotyczących systemów bazujących na zintegrowanych z konstrukcją siatkach czujników 2.Badania literaturowe dotyczące modeli konstrukcji z delaminacją międzywarstwową 3.Opracowanie modelu numerycznego konstrukcji warstwowej z delaminacją, wyposażonej w sensory piezoelektryczne Wnioski: 1.Przegląd proponowanych w ostatnich latach metod identyfikacji uszkodzeń w czasie rzeczywistym wykazał że systemy działające na bazie przetworników piezoelektrycznych są aktywnie rozwijane. 2.Opracowany model numeryczny zostanie wykorzystany w dalszej części badań do oceny efektywności proponowanej metody. ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone

4 ZB 14.4: Innowacyjne systemy SHM Wnioski: - zastosowanie zaadoptowanych algorytmów metody dystorsji wirtualnych umożliwia dokładną lokalizacje zmian parametrów elektrycznych w strukturze sieci przy ograniczonym dostępie do węzłów pomiarowych, pod warunkiem odpowiedniego zaprojektowania topologii oraz doboru parametrów elementów sieci i sygnałów wymuszających - technologia mogąca stanowić ekonomiczną alternatywę dla systemów monitorowania opartych na czujnikach światłowodowych i piezoelektrycznych ELGRID: materiał kompozytowy z wbudowanym układem elektrycznym w postaci spójnej sieci RC, ulegającym degradacji na skutek rozwoju defektów w materiale (pęknięcia, delaminacja). ELGRID-D: Lokalizacja uszkodzeń w strukturze sieci na podstawie pomiarów odpowiedzi układu zdrowego i uszkodzenego przy różnych scenariuszach wymuszeń dynamicznych (rozwiązanie zadania odwrotnego)‏ ELGRID-S: Lokalizacja uszkodzeń w strukturze sieci na podstawie pomiarów rezystancji / impedancji oraz analizy sprzężonego pola termicznego przy zasilaniu stało- lub zmienno-prądowym ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone

5 Helikopter Anakonda Izraelski helikopter BELL 216 Pasywne poduszki powietrzne stosowane w lotnictwie NASA Mars Pathfinder ZB14.12: Adaptacyjna poduszka powietrzna awaryjnego lądowania Zasada działania poduszki adaptacyjnej: 1. System sensorów rozpoznaje aktualne warunki przyziemienia 2. Sterowalne inflatory w odpowiednim czasie pompują komory poduszki do optymalnego ciśnienia 3. Szybkie zawory o dużej sprawności (HPV) realizują optymalną strategię wypuszczania powietrza Uproszczenie zadania mechaniki płynów: - przyjęcie równomiernego rozkładu ciśnienia i temperatury gazu - analityczny opis wypływu gazu przez zawór Modelowanie adaptacyjnej poduszki powietrznej: Zagadnienie FSI: sprzężenie mechaniki konstrukcji i mechaniki płynów Przeprowadzono wstępne symulacje lądowania mające na celu wyznaczenie optymalnej zmiany ciśnienia w poduszkach. ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone IPPT PAN

6 ZB14.6: Zawór o dużej sprawności (HPV) do poduszki gazowej 6 1 5 2 3 4 1- poduszka gazowa 2- obiekt uderzający 3- system sterowania 4- system pomiaru prędkości uderzenia 5- zawór HPV 6- generator gazu Zbudowane zostało stanowisko do testów koncepcji wstępnych zaworów HPV Wniosek z badań literaturowych oraz analizy wymaganej funkcjonalności: Zawór HPV powinien być sterowany impulsem energii elektrycznej, zapewniając co najmniej 3 kolejne stany pracy: I- przepływ zamknięty (stan początkowy), II – przepływ otwarty; III – stopniowe zamykanie przepływu. ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone IPPT PAN

7 ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone ZB14.10: Monitorowanie obciążeń dynamicznych metody bezmodelowe CEL: identyfikacja obciążeń i uszkodzeń konstrukcji na podstawie jej eksperymentalnej charakterystyki, z pominięciem symulacji numerycznych MOTYWACJA: większa dokładność identyfikacji, brak kosztownych obliczeń WYKONANO: opracowano ogólną metodologię, przetestowano identyfikację obciążenia masą statyczną PLANY: identyfikacja obciążenia dynamicznego oraz uszkodzeń ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone

8 ZB14.14: Adaptacyjna wibroakustyka Modelowanie ośrodków porowatych – badania literaturowe System ma służyć modelowaniu zagadnień, w których: warstwy akustycznie tłumiących materiałów porowatych „współpracują” z cienkimi powierzchniami sprężystymi (panele i bariery akustyczne, kompozytowe poszycie kadłuba samolotu), istotę problemu stanowi transmisja wibroakustyczna w zakresie niskich oraz średnich częstotliwości, elementy aktywne (paneli i kompozytów aktywnych) oddziałują bezpośrednio również na szkielet warstw porowatych. Wniosek: Dla tego typu zagadnień nie można stosować istotnego założenia upraszczającego związanego z pominięciem drgań szkieletu materiału porowatego. Podstawowy wybór: teoria porosprężystości Biota (model dwufazowy: faza stała – szkielet, faza płynna – powietrze w porach; obie fazy silnie sprzężone)‏ Uwaga: inne modele też będą implementowane. Jeden z celów zadania badawczego: opracowanie numerycznego systemu multi-fizycznego do modelowania zagadnień aktywnej wibroakustyki uwzględniających m.in. akustycznie tłumiące materiały porowate ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone

9 Zadania rozliczone środkami finansowymi z 2008 r, podzadanie: 14.1 1.W pierwszym etapie realizacji zadania dokonano przeglądu metod wytwarzania kompozytów stosowanych w lotnictwie w technologii „pre- preg” 2.Wspólnie z zespołem ZB9 przygotowano koncepcję stanowiska laboratoryjnego z autoklawem do wytwarzania elementów kompozytowych w Politechnice Lubelskiej. 3.Rozpoczęto przygotowania do modernizacji maszyny wytrzymałościowej i osprzętu (komora środowiskowa) w celu przystosowania do badania próbek kompozytowych w niskich temperaturach ok. ‑ 50 C. 4.Dokonano przegląd możliwości zastosowania elementów aktywnych w wybranych rozwiązaniach konstrukcji lotniczych Politechnika Lubelska ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone

10 Zdjęcie przykładowego autoklawu przewidzianego do zakupu Politechnika Lubelska Widok stanowiska badawczego do aktywacji i sterowania elementami PZT ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone ZB 14.1: Aparatura badawcza wykorzystywana przy realizacji zadania

11 ZB 14.11 Adaptacyjne tłumienie drgań z zastosowaniem SES. Symulacje numeryczne i weryfikacja eksperymentalna (planowany czas realizacji 07.2008-12.2012) Politechnika Lubelska 1.Dokonano przeglądu algorytmów sterowania oraz oceny ich efektywności w odniesieniu do struktur liniowych oraz z nieliniowościami geometrycznymi 2.Dokonano oceny istniejących na rynku systemów PZT oraz przeprowadzono analizę ich parametrów takich jak wymiary geometryczne, wielkości generowanych sił i momentów, wielkość odkształceń, zakresy napięć. 3.Dokonano przeglądu systemów zasilania PZT w kontekście możliwości zastosowania w konstrukcjach lotniczych 4.Zaprojektowano i wykonano kompozytowy element belkowy, na podstawie materiału kompozytowego wykonanego w PZL Świdnik SA. Na strukturze osadzono element aktywny PZT. 5.Przeprowadzono wstępne testy kilku algorytmów sterowania na stanowisku badawczym, eliminując pierwszą postać drgań wymuszonych belki. 6.Przeprowadzono wstępne testy analizy modalnej płyt kompozytowych o różnej liczbie warstw i ułożeniu włókien oraz w różnych warunkach podparcia ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone

12 Przykład schematu blokowego kontrolera adaptacyjnego Płyta kompozytowa utwierdzona wzdłuż dwóch krawędzi z naniesionymi punktami pomiarowymi Politechnika Lubelska ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone ZB 14.11: Aparatura badawcza wykorzystywana przy realizacji zadania

13 IPPT PAN Publikacje Doktoranci/ przewód Nowe etaty PL IMP PAN 4 0 0 7/1 1 0 1 0 0 8(2)‏ 1(7)‏ 0 Konferencje (planowane)‏ Rzeczywiste wskaźniki realizacji celów projektu ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone PRz 0 0/100

14 Dodatkowe wartości wygenerowane przez projekt Organizacja szkolenia dla inżynierów chińskiego instytutu ASRI (Aircraft Strenght Research Institute) z Xian. Projekt stypendialny TEAM zapewniający finansowanie postdoktorskie (2 osoby) i doktoranckie (3 osoby) dla osób pracujących na potrzeby projektu kluczowego: Nowoczesne technologie materiałowe. ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone

15 Wykaz publikacji IPPT PAN - Prace doktorskie 1.mgr inż. Grzegorz Mikułowski, „Adaptive shock absorbers based on magnetorheological fluids”, data obrony 20.11.2008, promotor prof. dr hab. inż. J. Holnicki- Szulc IPPT PAN – artykuły 1.A. Orłowska, P. Kołakowski, J. Holnicki-Szulc, „Modelling and identification of delamination in double layer beams by the virtual distortion method”, Computers and structures, vol. 86, issue 23-24, pp. 2203-2214. 2.Graczykowski C., Holnicki-Szulc J., Protecting offshore wind turbines against ship impacts by means of Adaptive Inflatable Structures, Shock and Vibration, IOS Press, Netherlands, 2009 3.J.Holnicki-Szulc, C.Graczykowski, G.Mikulowski, A.Mróz, P.Pawłowski, Smart Technologies for Adaptive Impact Absorption, Solid State Phenomena, 2009 4.G.Suwała, Ł. Jankowski, „A Model-Less Method for Added Mass Identification”, Solid State Phenomena, 147-149, 2009, pp. 570-575T IPPT PAN - Referaty Konferencyjne (wygłoszone)‏ 1.G. Mikułowski, C. Graczykowski, P. Pawłowski, K. Sekuła, A. Mróz, J. Holnicki-Szulc, „A feasibility study of a pneumatic adaptive impact absorber”, 4th European Conference on Structural Control, 8-12 września 2008, st-Petersburg, Rosja. 2.C. Graczykowski, J. Holnicki-Szulc, „Adaptive flow control based airbags for waterborne and aeronutical applications”, 4th European Conference on Structural Control, 8-12 września 2008, st-Petersburg, Rosja. 3.T.G. Zielinski, Active porous composites for wide frequency-range noise absorption. ISMA2008 - International Conference on Noise and Vibration Engineering, September 15-17, 2008 Leuven, Belgium. 4.T.G. Zielinski, Porous foams with active implants improving acoustic absorption. SAPEM2008 - Symposium on the Acoustics of Poro-Elastic Materials, December 17-18-19, 2008, Bradford, UK. 5.J.Holnicki-Szulc, G.Mikułowski, J.Motylewski, P.Pawłowski, C.Graczykowski, Opracowanie koncepcyjne amortyzatora pneumatycznego do podwozi lekkich bezzałogowych statków powietrznych, Wisła, 2009 6.G. Suwała, Ł. Jankowski, „A Model-Less Method for Added Mass Identification”, 4th International Conference Mechatronic Systems and Materials 2008, Białystok 7.G. Suwała, Ł. Jankowski, „Model-less Method Impact Mass Identification”, 4th European Workshop on Structural Health Monitoring 2008 Kraków 8.G. Suwała, Ł. Jankowski, „Model-free identification of added mass”, 8th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization, 1-5 June 2009, Lizbona, Portugalia IPPT PAN - Referaty konferencyjne (zaplanowane)‏ 1.G.Mikułowski, P.Pawłowski, C. Graczykowski, R. Wiszowaty, J.Holnicki-Szulc, „On a pneumatic adaptive landing gear system for a small aerial vehicle” IV Thematic Conference on Smart Materials and Structures, 13-15 lipca 2009, Porto, Potugalia. 2.J.Holnicki-Szulc, C.Graczykowski, G.Mikułowski, P.Pawłowski, Adaptive Impact Absorption, the concept, innovative solutions, applications, Proceeding of International Conference on Smart Materials and Structures, Porto, 2009 ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone IPPT PAN

16 Wykaz publikacji Politechnika Lubelska - Prace doktorskie mgr inż. Marcin Bocheński, „Drgania nieliniowe oraz sterowanie autoparametrycznego układu belkowego”, data otwarcia przewodu 29.10.2008, promotor dr hab. inż. J. Warmiński, prof. PL Politechnika Lubelska - Referaty Konferencyjne (wygłoszone)‏ S. Samborski, „Badanie statycznej i dynamicznej odporności na kruche pękanie tworzyw ceramicznych o zróżnicowanej porowatości”, V Międzynarodowe Sympozjum Mechaniki Zniszczenia Materiałów i Konstrukcji, 3.06-6.06. 2009 Augustów. Politechnika Lubelska - Referaty konferencyjne (zaplanowane) ‏ A. Teter, „Ocena krytycznych obciążeń dynamicznych dla cienkościennych słupów z żebrami pośrednimi z wykorzystaniem metody elementów skończonych”, XII Sympozjum „ Stateczność Konstrukcji” Zakopane, wrzesień 2009. A. Teter, „Zastosowanie różnych kryteriów do oceny krytycznego obciążenia dynamicznego dla przypadku interakcyjnego wyboczenia słupów wzmocnionych żebrami pośrednimi”, XII Sympozjum „ Stateczność Konstrukcji” Zakopane, wrzesień 2009. J. Warmiński, Recent Advances in Nonlinear Mechanics (RANM), Kuala Lumpur, 24 ‑ 27 August, 2009. J. Warminski, "Nonlinear Normal Modes of Self-Excited Systems under Parametric Resonance Conditions", Konferencja Euromech Colloquium 503 “Nonlinear Normal Modes and Localizations in Vibrating Systems”, September 27 - October 2, 2009, Frascati (Rome), Italy M. Bocheński, J.Warmiński, “Evaluation of different control algorithms for vibration suppression of flexible nonlinear composite beam”, Łódz, grudzień 2009. W.Jarzyna, “Nonlinear Vibrations Composite Baem Suppression by Applications of PZT Actuators., IX Konferencjia Naukowa „Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym "SENE 2009", Łódź, 18-20 listopada 2009. W.Jarzyna, M.Augustyniak, J.Warmiński, M.Bocheński, “Characteristics and implementation of piezoelectric structures in composite systems”, Międzynarodowa Konferencja “New Electrical and Electronic Technologies and Their Industrial Implementation”, Zakopane, 23 - 26 czerwca 2009 ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone Politechnika Lubelska

17 Pracownicy zaangażowani w realizację projektu 1.Prof. Jan Holnicki-Szulc 2.Dr inż. Jerzy Motylewski 3.Dr inż. Łukasz Jankowski 4.Dr inż. Tomasz G. Zieliński 5.Dr inż. Grzegorz Mikułowski 6.Dr Anita Orłowska 7.Mgr inż. Piotr Pawłowski Doktoranci 1.Mgr inż. Grzegorz Suwała, tematyka: Identyfikacja obciążeń dynamicznych, opiekun naukowy: dr inż. Łukasz Jankowski 2.Mgr inż. Mia Zhang, tematyka: Identyfikacja obciążeń dynamicznych, opiekun naukowy: dr inż. Łukasz Jankowski 3.Mgr inż. Rafał Wiszowaty, tematyka: Systemy lądowania adaptacyjnego, promotor: prof. Jan Holnicki-Szulc 4.Mgr inż. Marek Kokot, tematyka: Innowacyjny system SHM-ELGRID, promotor: Jan Holnicki-Szulc 5.Mgr inż. Arkadiusz Mróz, tematyka: Adaptacyjne sterowanie łopat wirników, opiekun naukowy: dr inż. Janusz Grzędziński 6.Mgr inż. Tanzeel Kaim, tematyka: Adaptacyjna wibroakustyka, opiekun naukowy: dr inż. Tomasz G. Zieliński 7.Mgr inż. Marian Ostrowski, tematyka: Adaptacyjna absorpcja impaktu, promotor: prof. Jan Holnicki-Szulc Habilitacje 1.Dr inż. Tomasz G. Zieliński, tematyka: Adaptacyjna wibroakustyka 2.Dr inż. Łukasz Jankowski, tematyka: Identyfikacja obciążeń dynamicznych ZB14 – Materiały inteligentne oraz bazujące na nich układy zespolone