AP19679041 — Исследование и применение волоконно-оптических датчиков деформаций для мониторинга напряженного состояния металлических и бетонных конструкций

Цель проекта - разработка метода для определение высокоскоростных деформаций металлических и бетонных конструкции при выполнениях различных технологических процессов с помощью чувствительного элемента волоконно оптического датчика (ВОД).

Актуальность проекта: как известно металлические и бетонные конструкции являются одним из наиболее распространенных материалов. В последние годы участились случаи возникновения аварийных ситуаций, которые сопровождаются интенсивными искусственными и естественными ударными и взрывными воздействиями. Подобные явления сопровождаются не только материальными, но и людскими потерями. Поэтому уже на стадии проектирования ответственных конструкции требуется учитывать эти динамические воздействия, которые характеризуются непрерывным изменением параметров, высокой интенсивностью и малой продолжительностью. Для этого необходимо не только знание механических свойств используемых материалов при высоких скоростях деформации, но и их мониторинг деформации в реальном процессе динамической нагрузки. Кроме того, высокоскоростное деформирование металлов все более широко применяется в технике и производстве. Это объясняется тем, что скорости нагружения деталей существующих и проектируемых машин и механизмов, и соответственно, металла в процессе его обработки очень высоки, а сведений о сопротивлении металлов деформированию, пластичности и ударной вязкости в широком диапазоне скоростей деформации и температур, необходимых для расчетов, в достаточном объеме не имеется. Характеризующееся большими скоростями деформации, высокими давлениями на поверхностях обрабатываемого металла и значительными энергиями, высокоскоростное деформирование обеспечивает высокую производительность, дает возможность изготавливать изделия значительных размеров из прочных и малопластичных материалов, позволяет обрабатывать металл, находящийся в состоянии движения.

В связи с этим исследование поведения современных конструкционных и строительных материалов при высокоскоростном деформировании и разрушении является крайне значимой и актуальной проблемой.

В результате исследования будут получены оптические методы определения высокоскоростной деформации бетонных и металлических поверхностей с использованием оптических Брэгговских решеток оптического датчика, происходящих в пределах микросекунд.

Научный руководитель: Доктор PhD профессор Смайлов Нуржигит Куралбаевич

Полученные результаты: В рамках проекта в 2023–2025 годах полностью реализованы задачи по разработке волоконно-оптических датчиков деформации на основе решёток Брэгга (FBG) для мониторинга железобетонных конструкций. Разработанные сенсоры продемонстрировали высокую точность, стабильность и надёжность, при этом экспериментально подтверждена линейная зависимость между нагрузкой и смещением длины волны Брэгга. Показана возможность регистрации динамических и высокоскоростных деформаций, включая раннюю диагностику процессов трещинообразования. Предложенная технология обеспечивает снижение эксплуатационных затрат на 25–30 % и повышает безопасность эксплуатации объектов. Уровень научно-технических решений соответствует современным международным стандартам и отличается технологической простотой и адаптивностью по сравнению с зарубежными аналогами. Полученные результаты обладают высокой практической значимостью и рекомендуются для внедрения в системы структурного мониторинга.

Список публикаций с ссылками на них

1. Smailov N., Koshkinbayev S., Tashtay Y., Kuttybayeva A., Abdykadyrkyzy R., Arseniev D., Kiesewetter D., Krivosheev S., Magazinov S., Malyugin V., Sun C. Numerical simulation and measurement of deformation wave parameters by sensors of various types // Sensors. – 2023. – Vol. 23, No. 22. – Art. 9215. DOI: https://doi.org/10.3390/s23229215
2. Kiesewetter D., Krivosheev S., Magazinov S., Malyugin V., Smailov N., Koshkinbayev S. Application of fiber Bragg gratings for measuring the crack opening rate // Proceedings of the 2023 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). – IEEE, 2023. – P. 374–376. URL: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10318546
3. Tashtai E., Smailov N., Koshkinbayev S., Sabibolda A. Investigation of the parameters of a fiber-optic strain sensor // Научные труды ВИИРЭиС. – 2023. – №3 (53). – С. 142–148.
4. Таштай Е., Смайлов Н.К., Көшкінбаев С.Ж., Сәбиболда Ә.М. Талшықты оптикалық деформация датчигінің параметрлерін оңтайландыру // Научные труды ВИИРЭиС. – 2023. – №3 (53). – С. 124–132.
5. Куттыбаева А.Е. Оптикалық байланыс жүйелері: монография. – Алматы: Satbayev University, 2023. – 156 с.
6. Smailov N., Zhadiger T., Tashtay Y., Abdykadyrov A., Amir A. Fiber laser-based two-wavelength sensors for detecting temperature and strain on concrete structures // International Journal of Innovative Research and Scientific Studies. – 2024. – Vol. 7, No. 4. – P. 1693–1710.
7. Smailov N., Koshkinbayev S., Aidana B., Kuttybayeva A., Tashtay Y., Aziskhan A., Arseniev D., Kiesewetter D., Krivosheev S., Magazinov S., Malyugin V., Sun C. Simulation and Measurement of Strain Waveform under Vibration Using Fiber Bragg Gratings // Sensors. – 2024. – Vol. 24, No. 19. – Art. 6194. DOI: https://doi.org/10.3390/s24196194
8. Kuttybayeva A., Sabibolda A., Kengesbayeva S., Baigulbayeva M., Amir A., Sekenov B. Investigation of a fiber optic laser sensor with grating resonator using mirrors // Proceedings of the 2024 Conference of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElCon). – IEEE, 2024. – P. 709–711. URL: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10468264
9. Sekenov B., Smailov N., Tashtay Y., Amir A., Kuttybayeva A., Tolemanova A. Fiber-optic temperature sensors for monitoring the influence of the space environment on nanosatellites: a review // IFToMM Asian Conference on Mechanism and Machine Science. – Springer, 2024. – P. 371–380. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-67569-0_42
10. Смайлов Н.К., Куттыбаева А.Е., Толеманова А.О., Ысырайыл К., Секенов Б. Қала ғимараттарында талшықты-оптикалық сенсорларын зерттеу және модельдеу // Вестник КазАТК. – 2024. – Т. 133, №4. – С. 353–367. DOI: https://doi.org/10.52167/1609-1817-2024-133-4-353-367
11. Смайлов Н.К., Кошкинбаев С.Ж., Таштай Е., Жекамбаева М.Н., Әмір А.Ә. Анализ возможностей использования волоконно-оптических датчиков для диагностики состояния металлических и бетонных конструкций // Вестник Торайгыров университета. – 2024. – №3. – С. 295–309. DOI: https://doi.org/10.48081/PWAG2791
12. Смайлов Н.К., Жәдігер Т.Ә., Әмір А.Ә., Изтелеуова Г.С. Акустикалық эмиссия сигналдарының көмегімен жүктеме кезінде талшықты бетонды арматураланған композиттердің сипаттамаларын зерттеу // РЭжБӘИИ ғылыми еңбектері. – 2024. – №1 (55). – С. 54–61.
13. Смайлов Н.К., Толеманова А.О., Куттыбаева А.Е., Таштай Е. Бетон конструкцияларының күйін бақылау үшін талшықты-оптикалық датчиктерді қолдану // РЭжБӘИИ ғылыми еңбектері. – 2024. – №2 (56). – С. 106–118.
14. Смайлов Н.К., Толеманова А.О., Куттыбаева А.Е., Таштай Е. Нақты уақыт режимінде қалалық құрылымдардың жай-күйін бақылау үшін талшықты-оптикалық қысым датчиктерін талдау // РЭжБӘИИ ғылыми еңбектері. – 2024. – №2 (56). – С. 172–185.
15. Smailov N., Tuleshov A., Sabibolda A., Mailybayev Y., Kashkimbayeva N., Kuttybayeva A., Yussupova G., Batyrgaliyev A., Sekenov B., Amir A. Determining the possibility of high-precision deformation measurement in building structures using fiber-optic methods // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2025. – Vol. 5, No. 5 (137). – P. 31–39. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.342161
16. Smailov N., Tolemanova A., Aziskhan A., Sekenov B., Sabibolda A. Implementation of fiber-optic sensing systems in structural health monitoring of concrete // Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska. – 2025. – Vol. 15, No. 3. – P. 73–76. DOI: https://doi.org/10.35784/iapgos.760
17. Куттыбаева А.Е., Таштай Е., Абдыкадыркызы Р. Исследование параметров оптических систем // Вестник КазАТК. – 2025. – Т. 137, №2. – С. 221–228. DOI: https://doi.org/10.52167/1609-1817-2025-137-2-221-228
18. Сейтханова А.К., Көшкінбаев С.Ж., Смайлов Н.К., Кошкинбаева М.Ж., Дуйсенов Н.Ж. Өлшеу технологиясындағы оптикалық сенсорлар: деформация мен температураны бақылауға арналған қолданбалар // Bulletin of the L.N. Gumilyov Eurasian National University. Physics. Astronomy Series. – 2025. – No. 150(1). – P. 127–139. DOI: https://doi.org/10.32523/2616-6836-2025-150-1-127-139
19. Смайлов Н.К., Таштай Е., Куттыбаева А.Е., Сабиболда А.М., Секенов Б.Н., Амир А.А. Оптоволоконные датчики для измерения и мониторинга железобетонных конструкций: патент на полезную модель №69038. – Республика Казахстан.