Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/1738
Title: Damage assessment in laminated composite structures using acoustic methods
Authors: Ασημακοπούλου, Θεώνη
Issue Date: 2009-08-03T10:15:07Z
Keywords: Composite materials
Fatigue damage
Acoustic emission
Acousto-ultrasonics
Keywords (translated): Σύνθετα υλικά
Βλάβη κόπωσης
Ακουστική εκπομπή
Ακουστο-υπέρηχοι
Abstract: Combining good material properties and low weight, composites have become increasingly popular over the past decades among conventional, well-studied engineering materials. With their anisotropic nature and laminated structure allowing for enhanced design potential compared to metals, the widening use of composites in operating structures has turned the need for reliable inspection and condition assessment into an issue of great importance. Unlike metals, failing due to a propagating critical crack, the inhomogeneous and anisotropic nature of composites renders a more complicated behavior: composite structures bear the applied design loads during the entire service life, while damage accumulates. High damage tolerance is thus another important advantage over metals. The main source of damage in a composite is mechanical and/or environmental loading. Several failure mechanisms are encountered during service: matrix cracking, debonding of the fibre-matrix interface, delaminations and fibre breakage are common damage modes. Although this is their actual temporal sequence in general, propagation and coalescence of failure mechanisms are often simultaneous and therefore, damage in the composite can be regarded as the superposition of various failure modes. Damage accumulation, either localized or distributed throughout the volume of the composite, leads to degradation of the composite material mechanical properties. Matrix cracking is one of the major damage mechanisms encountered in FRP composites during service. Although seemingly less critical than delaminations and fibre breakage, propagation and coalescence of matrix cracks precede and promote more severe damage modes. Characteristic consequences of matrix-dominated failure are debondings at the trailing edge or between stiffening components and the skin, in wind turbine rotor blades, and also material degradation due to ingress of fluids, in composite pipes. However, since formation of matrix cracks begins at sub-critical loading stages, appropriate non-destructive tools should contribute to reliable damage assessment throughout service. Aiming to damage assessment in composite materials, non-destructive inspection (NDI) relished rapid and broad development. Acoustic emission and acousto-ultrasonics are listed among well-established NDI techniques. These acoustic methods are able to reflect the integrated damage state of a structure. The scope of this dissertation is NDI assessment of distributed damage in glass/epoxy (Gl/Ep) fibre-reinforced (FRP) composites, using acoustic emission and acousto-ultrasonics. Most research on the use of acoustic methods for non-destructive inspection is concentrated on the detection of localized defects, generated either during fabrication or in-service. A considerable amount of publications is also focused on the more complicated, distributed damage, e.g. due to fatigue. In most cases, however, acoustic emission and acousto-ultrasonics are not suggested as stand-alone tools, but are rather used to indicate qualitative trends or to complement other methods in the investigation of damage progression. Although a common outcome from this approach is that AE and AU signal parameters are, in general, correlated with damage accumulation, no robust models for remaining life or strength prediction have been proposed. Such NDI tools for the assessment of strength degradation, due to fatigue, in fibre-reinforced composites, exclusively via acoustic non-destructive measurements, are proposed in the present work. Reliable engineering models, based on acoustic emission and acousto-ultrasonic measurements, are established and validated in dedicated chapters. Residual strength prediction in composite specimens, featuring matrix cracking due to fatigue, is thus accomplished. This thesis is based on experimental work performed on an improved Gl/Ep composite, used in the manufacturing of new generation wind turbine rotor blades. The work included thorough material characterization as well as a dedicated experimental series aiming to understand, model and assess the axial, transverse and shear strength degradation of the unidirectional composite. Besides preliminary and benchmark testing, the exhaustive experimental schedule included 713 valid mechanical tests. From these 713 specimens, 222 were tested in tension/compression, 236 were subjected to constant-amplitude fatigue loading and 29 to spectrum loading. Another 217 specimens were used to investigate strength degradation due to constant-amplitude loading and 9 due to variable-amplitude loading. To execute this grand experimental plan, our 4-member team occupied 3 testing machines for 52 months. Although scrupulous indeed, the material characterization stage was just a prerequisite for the residual strength experimental task. In common practice, residual strength tests are a combination of a damaging process, e.g. fatigue loading, and a static test to failure. However, the aim of this dissertation was strength degradation assessment using non-destructive techniques. Residual strength tests were thus accompanied with acoustic emission monitoring, stiffness degradation measurements and acousto-ultrasonic scanning. This increased the duration of the experiments at least 4-fold, while rendering the procedure much more complicated. However, a unique database was formed, including data from all discrete steps. This extensive and combined information is a novel contribution in the field of non-destructive inspection. Acoustic emission monitoring and acousto-ultrasonic measurements were herein used to assess material strength degradation due to fatigue-induced matrix cracking. The goal was accomplished with remarkable success and reliable engineering AE and AU-based models were introduced. These validated schemes were based on the largest experimental database so far produced. Moreover, the proposed models were generalized, i.e. applicable in all damage states examined. As obvious this could seem for acousto-ultrasonics, this is not the case regarding acoustic emission measurements. Thus, from the acoustic emission side, this generalization renders an original contribution. AE-based models proved able to assess tensile and also compressive strength degradation. This is another novel achievement. In this thesis, the proposed AE models were superior to the respective descriptor-based AU schemes. However, although performance of the second, using novel descriptors, was more than adequate, wave propagation in the specimen under consideration was also studied. This area failed to produce new descriptors or schemes, however indicated damage-associated qualitative trends in the recorded signals. Several issues related to the acousto-ultrasonic experimental technique were underlined and the complexness of the problem depicted. The experiments presented herein were performed in the frame of EC research project "OPTIMAT BLADES: Reliable Optimal Use of Materials for Wind Turbine Rotor Blades", ENK6-CT-2001-00552. Partial funding was provided by the Greek Secretariat for Research and Technology, F.K. 6660. It is emphasized that no other partner of the OPTIMAT BLADES project, engaged in non-destructive condition assessment, managed to propose successful engineering NDT models.
Abstract (translated): Συνδυάζοντας καλές μηχανικές ιδιότητες με το χαμηλό τους βάρος, τα σύνθετα υλικά αποδεικνύονται εξαιρετικά δημοφιλή σε σχέση με τα συμβατικά, κατά κόρον χρησιμοποιούμενα υλικά. Με την ανισότροπη φύση και την πολύστρωτη δομή τους να προσδίδουν επιπλέον δυνατότητες στο σχεδιασμό σε σύγκριση με τα μέταλλα, η διευρυνόμενη χρήση συνθέτων υλικών σε κατασκευές καθιστά την αξιόπιστη επιθεώρηση και εκτίμηση της δομικής τους ακεραιότητας ένα θέμα καταλυτικής σημασίας. Σε αντίθεση με τα μεταλλικά υλικά, που αστοχούν εξ’ αιτίας της διάδοσης μιας κρίσιμης ρωγμής, η ανομοιογενής και ανισότροπη φύση των συνθέτων παρουσιάζει πολυπλοκότερη συμπεριφορά: οι κατασκευές από σύνθετα υλικά υπόκεινται στα επιβαλλόμενα φορτία καθ’ όλη την προβλεπόμενη διάρκεια λειτουργίας τους, οπότε και η βλάβη συσσωρεύεται. Η υψηλή ανοχή στη βλάβη αποτελεί ένα επιπλέον πλεονέκτημα σε σύγκριση με τα μέταλλα. Την κύρια αιτία δημιουργίας βλάβης σε ένα σύνθετο υλικό αποτελεί η μηχανική και/ή περιβαλλοντική φόρτιση. Διάφοροι μηχανισμοί αστοχίας απαντώνται κατά τη λειτουργία: η ρηγμάτωση της μήτρας, η αποκόλληση στη διαπιφάνεια ίνας-μήτρας, οι αποκολλήσεις διαδοχικών στρώσεων και η θραύση ινών αποτελούν συνήθεις τρόπους αστοχίας. Παρ’ όλο που αυτή είναι εν γένει και η χρονική τους ακολουθία, η διάδοση και η συνένωση τρόπων αστοχίας είναι συχνά ταυτόχρονες και επομένως η βλάβη σε ένα σύνθετο μπορεί να θεωρηθεί ως η συμβολή διαφόρων μηχανισμών αστοχίας. Η συσσώρευση της βλάβης, είτε τοπική είτε κατανεμημένη στον όγκο του συνθέτου, οδηγεί στην υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού. Η ρηγμάτωση της μήτρας αποτελεί έναν από τους κύριους μηχανισμούς αστοχίας που απαντώνται σε ινώδη σύνθετα υλικά κατά τη διάρκεια λειτουργίας τους. Αν και λιγότερο κρίσιμη φαινομενικά από τις αποκολλήσεις στρώσεων και τη θραύση ινών, η διάδοση και συνένωση ρωγμών στη μήτρα προηγείται και επισπεύδει σοβαρότερους τρόπους αστοχίας. Χαρακτηριστικά παραδείγματα συνεπειών της αστοχίας από ρηγμάτωση της μήτρας αποτελούν οι αποκολλήσεις των ενισχυτικών δοκίδων στα πτερύγια ανεμογεννητριών καθώς και η υποβάθμιση του υλικού λόγω εισροής υγρών, σε σωληνώσεις από σύνθετο υλικό. Ωστόσο, αφού η έναρξη δημιουργίας ρωγμών στη μήτρα παρατηρείται σε υποκρίσιμα επίπεδα φορτίου, κατάλληλα μη καταστροφικά εργαλεία αναμένονται να είναι αποτελεσματικά στην αξιόπιστη και έγκαιρη εκτίμηση της συσσώρευσης βλάβης κατά τη λειτουργία. Με σκοπό την εκτίμηση της βλάβης στα σύνθετα υλικά, η ανάπτυξη μη καταστροφικών μεθόδων ελέγχου (ΜΚΕ) ήταν ταχύτατη και ευρεία. Ανάμεσα στις συνήθεις μεθόδους ΜΚΕ συγκαταλέγονται και οι ακουστικές, όπως η ακουστική εκπομπή και οι ακουστο-υπέρηχοι. Οι μέθοδοι αυτές δύνανται να εκφράσουν τη γενικευμένη δομική ακεραιότητα της κατασκευής. Η διατριβή αυτή αποσκοπεί στην εκτίμηση, με μη καταστροφικούς τρόπους και συγκεκριμένα με τις παραπάνω ακουστικές μεθόδους, της κατανεμημένης βλάβης σε δοκίμια από εποξειδική ρητίνη ενισχυμένη με μακριές ίνες υάλου. Οι περισσότερες έρευνες πάνω στη χρήση ακουστικών μεθόδων ΜΚΕ εστιάζουν στον εντοπισμό τοπικών ατελειών, που δημιουργούνται είτε κατά την παραγωγική διαδικασία είτε κατά τη λειτουργία. Ένας σημαντικός αριθμός εργασιών επίσης αφορά την πολυπλοκότερη, κατανεμημένη βλάβη, παραδείγματος χάριν λόγω κόπωσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, όμως, η ακουστική εκπομπή και οι ακουστο-υπέρηχοι δεν συνιστώνται ως αυτόνομα εργαλεία, αλλά μάλλον χρησιμοποιούνται για να αναδείξουν ποιοτικές τάσεις ή να συμπληρώσουν άλλες μεθόδους στη διερεύνηση της συσσώρευσης της βλάβης. Αν και ένα σύνηθες συμπέρασμα της προσέγγισης αυτής είναι πως οι χαρακτηριστικές παράμετροι που προκύπτουν από τα σήματα ακουστικής εκπομπής και ακουστο-υπερήχων συσχετίζονται εν γένει με τη δομική ακεραιότητα, αξιόπιστα πρότυπα εκτίμησης εναπομένουσας αντοχής ή ζωής δεν έχουν προταθεί. Τέτοια εργαλεία ΜΚΕ για την πρόβλεψη της υποβάθμισης της αντοχής, λόγω κοπωτικής φόρτισης, σε ινώδη σύνθετα υλικά, χρησιμοποιώντας αποκλειστικά μετρήσεις από ακουστικές μεθόδους, προτείνονται στην παρούσα εργασία: αξιόπιστα μηχανιστικά πρότυπα, βασισμένα στις μετρήσεις ακουστικής εκπομπής και ακουστο-υπερήχων εμπεδώνονται και αξιολογούνται σε ειδικά αφιερωμένα κεφάλαια. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται εκτίμηση της εναπομένουσας αντοχής σε δοκίμια από σύνθετο υλικό με ρηγμάτωση της μήτρας λόγω κόπωσης. Το πειραματικό μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκε σε ένα βελτιωμένο σύνθετο από εποξειδική ρητίνη ενισχυμένη με μακριές ίνες υάλου, που χρησιμοποιείται στην παραγωγή πτερυγίων ανεμογεννητριών νέας γενιάς. Περιελάμβανε πλήρη χαρακτηρισμό του υλικού καθώς και μια στοχευμένη πειραματική σειρά με σκοπό την κατανόηση, προσομοίωση και εκτίμηση της υποβάθμισης της αξονικής, εγκάρσιας και διατμητικής αντοχής της μονοαξονικής στρώσης. Εκτός από τις προκαταρκτικές δοκιμές που απαιτήθηκαν, το εκτενές πειραματικό πρόγραμμα αποτελούταν από 713 πειράματα. Από αυτά, 222 ήταν σε στατικό εφελκυσμό/θλίψη, 236 σε κοπωτική φόρτιση σταθερού εύρους και 29 σε φασματική φόρτιση. Επιπλέον, 217 δοκίμια χρησιμοποιήθηκαν στη διερεύνηση της υποβάθμισης της αντοχής λόγω κοπωτικής φόρτισης σταθερού εύρους και 9 λόγω κοπωτικής φόρτισης μεταβαλλόμενου εύρους. Για την πραγματοποίηση των πειραμάτων, η τετραμελής ερευνητική μας ομάδα απασχόλησε 3 μηχανές δοκιμών για 52 μήνες. Η εκτεταμένη διαδικασία χαρακτηρισμού του υλικού ήταν απαραίτητη στο μετέπειτα έργο της διερεύνησης της εναπομένουσας αντοχής. Σύμφωνα με τη συνήθη πρακτική, τα πειράματα εναπομένουσας αντοχής αποτελούνται από μια διαδικασία εισαγωγής βλάβης, παραδείγματος χάριν μια κοπωτική φόρτιση, και μία στατική δοκιμή έως τη θραύση. Ωστόσο, ο σκοπός της συγκεκριμένης διατριβής ήταν η πρόβλεψη εναπομένουσας αντοχής με μη καταστροφικούς τρόπους. Τα πειράματα, λοιπόν, συνοδεύτηκαν από καταγραφή ακουστικής εκπομπής, μετρήσεις υποβάθμισης της δυσκαμψίας και δοκιμές ακουστο-υπερήχων. Αυτό οδήγησε σε αύξηση του πειραματικού χρόνου τουλάχιστον τετράκις, καθιστώντας ταυτόχρονα την ακολουθούμενη διαδικασία αρκετά πολυπλοκότερη. Δημιουργήθηκε όμως μια μοναδική στο είδος της βάση δεδομένων, περιλαμβάνοντας δεδομένα από όλα τα επιμέρους βήματα. Αυτή η ευρύτατη και συνδυασμένη πληροφορία αποτελεί καινοτόμο συνεισφορά στο πεδίο του μη καταστροφικού ελέγχου. Η ακουστική εκπομπή και οι ακουστο-υπέρηχοι χρησιμοποιήθηκαν, στην εργασία αυτή, στην εκτίμηση της υποβάθμισης της αντοχής του υλικού από ρηγμάτωση στη μήτρα λόγω κοπωτικής φόρτισης. Ο σκοπός επιτεύχθηκε με αξιοσημείωτη επιτυχία με την εισαγωγή αξιόπιστων εμπειρικών προτύπων βασισμένων σε μετρήσεις ακουστικής εκπομπής και ακουστο-υπερήχων. Επιπλέον, τα προτεινόμενα πρότυπα ήταν γενικευμένα, δηλαδή εφαρμόσιμα σε όλες τις επιμέρους περιπτώσεις βλάβης που εξετάστηκαν. Όσο προφανές αυτό φαίνεται στην περίπτωση των ακουστο-υπερήχων, για την ακουστική εκπομπή αποτελεί καινοτόμο συνεισφορά. Επιπρόσθετα, τα πρότυπα ακουστικής εκπομής αποδείχτηκαν ικανά να εκτιμήσουν τόσο την εφελκυστική όσο και τη θλιπτική εναπομένουσα αντοχή των δοκιμίων, πράγμα που επίσης αποτελεί καινοτομία. Στην παρούσα διατριβή, τα προτεινόμενα πρότυπα ακουστικής εκπομπής αποδείχτηκαν ανώτερα σε επίδοση από τα προερχόμενα από μετρήσεις ακουστο-υπερήχων. Ωστόσο, η επίδοση και των δεύτερων, χρησιμοποιώντας νέες χαρακτηριστικές παραμέτρους, ήταν πολύ ικανοποιητική. Στο πλαίσιο αυτό μελετήθηκε επίσης η κυματική διάδοση στο υπό εξέταση δοκίμιο. Από το πεδίο αυτό δεν προέκυψαν νέες παράμετροι ή πρότυπα, όμως από την ανάλυση των καταγεγραμμένων σημάτων διαπιστώθηκαν ποιοτικές τάσεις σχετικές με τη συσσωρευμένη βλάβη. Αρκετά θέματα υπογραμμίστηκαν αναφορικά με το πειραματικό σκέλος των δοκιμών ακουστο-υπερήχων και τονίστηκε η πολυπλοκότητα του προβλήματος. Οι δοκιμές που παρουσιάζονται εδώ πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος "OPTIMAT BLADES: Reliable Optimal Use of Materials for Wind Turbine Rotor Blades", ENK6-CT-2001-00552. Μερική χρηματοδότηση δόθηκε από τη Γενική Γραμματεία Έρευνας & Τεχνολογίας, Φ.Κ. 6660. Επισημαίνεται πως κανείς από τους συνεργάτες του προγράμματος οι οποίοι εφάρμοσαν τεχνικές ΜΚΕ, δεν κατόρθωσε να προτείνει οποιοδήποτε συναφές πρότυπο.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχαν. (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
PhDCOLOUR.pdf2.46 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.