Structural health monitoring of composite materials with FBG sensors: Damage detection and remaining useful life prediction

Abstract

İleri kompozit yapılar yüksek ağırlık-güç oranları, sertlik değerleri, aşınma dirençleri ve yorulma performansları nedeniyle yük taşıyan yapılarda çoğunlukla kullanılmaktadırlar. Kompozit yapılarda üretim sürecini gözlemlemek ve kullanım sırasında hasar tespiti yapmak zordur. Bu çalışmada, fiber optik tabanlı sensörlerin kompozit malzemelerin yapısal sağlığını ve durumunu üretim sürecinden malzemenin son kullanımına kadar sürekli olarak gözlemleme kabiliyeti uygulanabilirlik ve kullanışlılık açısından değerlendirilmiştir. 2 ve 3 boyutlu kompozit yapılar tasarlanmış ve reçine geçiş kalıplaması (RTM) yöntemi ile üretilmişlerdir. Fiber optik sensörleri yapı içine gömmek için yeni geliştirilen giriş/çıkış yöntemi kullanılmıştır. Fiber Bragg ızgara (FBG) sensörlerinin akış ve kürleşmeyi gözlemleme kabiliyetleri gösterilmiştir. Gömülü FBG sensörlerin gerinim ve sıcaklık hassasiyetleri hesaplanmıştır. Gömülü FBG sensör bulunduran bir kompozit plaka ile konsol kiriş deneyleri yapılmıştır. FBG sensörün kompozit üzerindeki hasarı tespit etme kapasitesini göstermek için kompozit plaka üzerinde farklı boyutlarda yapay hasarlar oluşturulmuştur. FBG sensörün dalga boyu değişimi grafiği deliğin boyutuna göre çizdirilmiş ve hasarlı yapı ile yapılan dalga boyu ölçümleri yapının sağlığı hakkında yorum yapabilmek için hasarsız yapı ile yapılan ölçümlerle karşılaştırılmıştır. Kalan kullanılabilir ömür (RUL) tahmin etme tekniği, içerisinde FBG sensör barındıran kompozit malzemeler için geliştirilmiş ve bu tekniğin uygulaması üretilen kompozit malzemelerin yorulma deneyleri yapılmıştır.

Advanced composites are widely employed in load bearing structures due to their high strength-to-weight ratios, stiffness, corrosion resistance and fatigue performance. Monitoring the manufacturing process and detecting the damage during service are rather troublesome. In this study, practicality and feasibility of fiber optic based sensors are evaluated for monitoring the state or the structural health of the composite materials from manufacturing phase to service phase continuously. 2D and 3D composite structures were designed and manufactured by resin transfer molding (RTM) method. A novel ingress/egress technique is utilized to embed the fiber optic sensors. The capabilities of flow and cure monitoring of fiber Bragg grating (FBG) sensors are presented. The strain and the temperature sensitivity of the embedded FBG sensors was calculated. Following the calculation of the sensitivities, a manufactured composite with embedded FBG sensor is subjected to cantilever beam experiments. To be able to show that the FBG sensor is capable of detecting damage formation in composites, the composite plate was drilled to create articial defects of dierent size. The wavelength shift of the FBG was monitored as a function of the size of the hole and wavelength measurements are compared with those of sound structure to conclude on the health of the structure. Technique for prediction of remaining useful life (RUL) of composite materials with embedded FBG sensors is demonstrated and fatigue testing ofcomposite materials are performed to verify this technique.