Monitoring Micro-Damage Accumulation Based on Reduction in Elastic Properties Using Fiber Bragg Grating Sensors, and Acoustic Emission and Thermography Methods in Fiber Reinforced Polymeric Composites

Abstract

Lamine Kompozit Yapılar (LKY) son yıllarda uçak ve gemi inşaatı gibi mühendislik uygulamalarında giderek daha fazla kullanılmaktadır. Bununla birlikte, LKY kullanımındaki sürekli artışa rağmen, birtakım özelliklerin ayrıntılı olarak araştırılması gerektiği unutulmamalıdır. Bu özellikler iki ayrı konuda özetlenebilir: farklı mikro-hasar tiplerinin LKY'lere etkisi ve bazı mekanik özelliklerin ölçümü için yeni test yöntemlerininin geliştirilmesi. Burada bu iki konu, mikro-hasar birikiminin ve bu mikro-hasar birikiminin LKY'nin elastik sabitleri üzerindeki etkisi araştırılarak ve ayrıca ince tabakalı kompozitlerin belirli mekanik özelliklerini hesaplamak için yeni bir test yönteminin Sonlu Elemanlar Analizi (SEA) yapılarak işlenmiştir.Metallardenden farklı olarak LKY'ler yük altında farklı mikro-hasar türleri geliştirebilir. Bu mikro hasar türleri LKY'lerin hasara uğrayıp kullanım dışı kalmasında kritik bir rol oynamaktadırlar. Farklı mikro hasar türlerinin ilk oluşumu ve birikmesi anlaşıldıktan sonra, operasyonel yükler altında LKY'lerin davranışı detaylı bir şekilde anlaşılabilir. Bu anlayışla beraber LKY'lerin muhtemel işlev dışı kalma süresinin tahmin edilmesine ve bazı esneklik sabitlerinin mikro hasar gösterge katsayısı olarak kullanılmasının yolu açılabilir. Bu amaçla, mikro-hasar başlaması ve birikmesiyle beraber Poisson oranı azalmasının mikro-hasar birikim göstergesi olarak kullanılması üzerine deneysel bir çalışma sunulmuştur. Poisson oranının azalması, bu çalışma sırasında geliştirilmiş ve LKY'ya üretim sırasında gömülmüş, çift eksenli fiber Bragg ızgara (FBG) sensörler ile statik çekme testi sırasında izlenmiştir. Buna ek olarak, farklı mikro hasar türlerinin birikimi, Akustik Yayılım (AY) düzeneği ile izlenmiştir. Çekme yükü altnda Poisson oranı düştükçe, LKY'ler tarafından yayılan Akustik dalgalar artan mikro-hasar oluşumundan dolayı artış göstermiştir.Yine düzlemsel kayma yükü altında düzlemsel kayma modülündeki azalmanın, mikro hasar birikimine bağlı olduğu gösterilmiştir. Bu amaçla, iki farklı fiber takviye, S-cam ve E-cam, LKY üretmek için seçilmiştir. Biriken toplam mikro-hasar miktarı ve termografi ile ölçülen ortalama sıcaklık değişimi E-cam takviyeli LKY için daha yüksektir. Uygulanan düzlemsel kayma yükü altında, düzlemsel kayma modülü E-cam ve S-cam takviyeli LKY'nin ikisinde de önemli oranda düşüş göstersede, E-cam takviyeli LKY için bu düşüşün S-cam takviyeli LKY'ye göre daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir.Bunlara ek olarak, ince lamineli kompozitlerde Lamb dalgası yayılımı SEA ile gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen SEA, ince LKY için yeni, zaman alıcı olmayan,rijitlik matrisi bileşenlerini ve esneklik özelliklerini hesaplamak için kullanılabilecek tahribatsız bir test yönteminin hesaplamalı sayısal analizidir.Bu amaçla, Lamb dalgasının A0 ve S0 modlarının grup hızları, yanal izotropik simetreye sahip bir ince LKY üzerinde ölçülmüştür. Sonra, bu grup hızları Christofel denkleminde kullanılan LKY'nin rijitlik matrisinin bileşenlerini hesaplamak için kullanılmıştır. Daha sonra ise, hesaplanan rijitlik matrisinin bileşenleri tersine denklemler içinde kullanılarak aynı ince LKY'nin esneklik sabitleri hesaplanmıştır.

Laminated Composite Structures (LCS) have been used increasingly in recent years in engineering applications such as aircraft and shipbuilding. However, it is important to note that despite the constant increase in the usage of LCSs, a number of certain aspects need to be investigated in detail. These aspects can be summarized in two di erent topics: the effect of different micro-damage types on LCSs and novel test methods for the measurement of certain mechanical properties. Here, to touch on these two issues, we investigate micro-damage accumulation and its effects on elastic constants of the laminated composite as well as we introduce a Finite Element Analysis (FEA) of a possible test method to calculate certain mechanical properties of thin-laminated composites. Unlike metals, LCSs can develop different types of micro-damage under load. These different types of micro-damage play a critical role in the failure of LCSs. Once initiation and accumulation of different types of micro-damage are understood, an adequate understanding of LCSs under operational loads can be established. This understanding results in the prediction of possible failure time of LCSs and usage of a number of elastic constants as a micro-damage monitoring index. For that purpose, we present an experimental study on the monitoring of the reduction in Poisson's ratio coupled with micro-damage initiation and accumulation. Poisson's ratio is monitored with a novel an embedded-biaxial Fiber Bragg Grating (FBG) sensor during the static tensile test of composite coupons. Accumulation of different types of micro-damage are monitored with Acoustic Emission (AE) set-up. It is seen that as Poisson's ratio reduces under tensile loading, composite coupons emit a higher number of acoustic waves due to the micro-damage formation. It is also demonstrated that reduction in in-plane shear modulus under in-plane shear loading is due to micro-damage accumulation. For this purpose, two different fiber reinforcement, S-glass and E-glass, are chosen to produce laminated