Understanding failure mechanisms in hybrid fiber reinforced laminates through the combined usage of DIC, AE, thermography and optic based systems
Başlık çevirisi mevcut değil.
- Tez No: 658426
- Danışmanlar: Prof. Dr. MEHMET YILDIZ, DR. ÖĞR. ÜYESİ ADNAN KEFAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 150
Özet
Karbon fiber takviyeli polimer matris laminatlar, hafiflikleri, yüksek özgün tokluk ve mukavemetleri ve kimyasal dayanıklılıkları nedeniyle otomotiv, havacılık ve ulaşım yapılarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, bu laminatların yıkıcı arızası, kritik mühendislik uygulamaları bu laminatların yeterliliğini sınırlar. Fiber hibridizasyonu, bu sorunun üstesinden gelmenin ve Hibrit Etkisi kullanılarak carbon fiber takviyeli polimer matris laminatların güvenilirliğini artırmanın düşük maliyetli ve etkili bir yoludur. Bununla birlikte, laminatlı yapının içinde çok sayıda bileşenin varlığı ve malzeme içinde mekansal olarak heterojen hasar birikimi nedeniyle hibrit fiber laminatların başarısızlık analizi çok zordur. Bu nedenle, üç farklı bölümden oluşan bu çalışma, üç makale olarak verilen farklı incelemede, çeşitli yükleme koşulları altında yapısal sağlık izleme tekniklerinin eşzamanlı kullanımı ile cam /karbon fiber hibrit laminatlar içindeki başarısızlık mekanizmalarını ve hasar gelişimini kapsamlı bir şekilde analiz etmeyi amaçlamaktadır. Bu tezin ilk kısmında, hibrit ve hibrit olmayan numuneler için çekme ve eğilme testleri sırasında hasar artışını izlemek için akustik emisyon analizi kullanılmıştır. Akustik emisyon verileri, ağırlıklı tepe frekansı ve kısmi güç parametrelerine dayalı Kmeans yöntemi kullanılarak kümelenmiştir. Dört farklı küme, her bir laminat için Matris kırılması, fiber / matris arayüz hatası, fiber çekme ve fiber kırılması olmak üzere dört farklı hata tipiyle ilişkilidir. Kompozitlerin doğrusal davranışını tahmin etmek için Rafine Zigzag Teorisine (RZT) dayalı bir sonlu eleman modeli kullanılıdı ve akustik emisyon sensörleri tarafından kaydedilen büyük hasarların başlangıcının deneysel gerilim-gerinim eğrisinin model tahminlerinden sapmasına karşılık geldiği gösterildi. Bu tezin ikinci bölümünde, cam/karbon fiber hibrit ve hibrit olmayan laminatların uygulanan kayma gerilimine sırayla doğrusal ve doğrusal olmayan tepki gösterdiği düzlem içi kesme koşulu altında hasar gelişimini analiz etmek için tam alan gerinim ölçümlerini kullanır. Üç boyutlu dijital görüntü korelasyon (DIC) sisteminden elde edilen gerinim haritalarının karşılaştırılması, istifleme dizisinin hasar geliştirme davranışı üzerindeki etkisini göstermektedir. Ayrıca, tam alan gerinim ölçüm tekniği, yani DIC için uygun ilgi bölgelerinin seçilmesiyle, V-çentik bölgesindeki kayma davranışının ve bozulmanın doğru şekilde izlenmesinin mümkün olduğu gösterilmiştir. Bu araştırmanın üçüncü bölümü, hibrit ve hibrit olmayan laminatlar için farklı gerinim ölçüm sistemleri, yani yüzeye monte gerinim ölçerleri, dijital görüntü korelasyonu ve lamine kompozit malzeme içine gömülü iki FBG sensörü ile elde edilen çekme gerilme-gerinim eğrilerindeki farklılıkları göstermektedir. Gerilim-gerinim eğrilerindeki dalgalanmalar, dijital görüntü korelasyonu ve termal kamera ile elde edilen gerinim ve termal haritalar kullanılarak iyi tanımlanmıştır. Gerinim ölçüm tekniklerinin doğası gereği, küresel veya yerel, kenar bölme gibi bazı hataların tüm gerinim ölçüm tekniklerini etkilemeyebileceği ve bu nedenle hibrit laminatlarda ilk arıza noktasının yanlış hesaplanmasına, yani hibrit etkisinin fazla tahmin edilmesine neden olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, DIC yer değiştirmeleri, Düzleştirme Elemanı Analizi (SEA) ile yumuşatılır ve böyle bir matematiksel modifikasyonun kullanılmasının, düşük gerilim seviyelerinde tam alan ölçümlerinden elde edilen verilerin doğal gürültüsünü gidermeye yardımcı olabileceği gösterilmiştir. Ayrıca, düzeltme analizi laminatın mukavemetinin % 30 altındaki gerilme seviyelerinde kompozit malzemede kırılma bölgesinin erken tahminini başarıyla sağlamıştır. Dijital görüntü korelasyonu ile izlenilmış Poisson oranının evrimi, ilk kez bir hasar indeksi olarak kullanılmış ve her numune için iki eksenli gerinim ölçerlerinkiyle karşılaştırılmıştır. Gerinim ölçerlerin, yükleme koşulu altındaki malzeme ile doğrudan teması nedeniyle laminatlar içinde daha hızlı hasar birikimine yol açtığı gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Carbon fiber reinforced polymer matrix laminates are widely used in automotive, aerospace and transportation structures due to their light weight, high specific stiffness and strength, and chemical durability. However catastrophic failure of these laminates limits their capability for critical engineering applications. Fiber hybridization is a low cost and effective way to overcome this issue and improve the reliability of Carbon fiber reinforced polymer matrix laminates by introducing Hybrid Effect. Nevertheless, failure analysis of hybrid fiber laminates is very difficult task due to presence of multiple constituents inside the laminated structure and spatially heterogenous damage accumulation inside the material. Therefore, this study aims to comprehensively analyze the failure mechanisms and damage development inside glass/carbon fiber hybrid laminates through simultaneous usage of structural health monitoring techniques under various loading conditions in distinct investigation given as three papers. In the first paper, acoustic emission analysis is used to monitor the damage growth during tensile and flexural tests for hybrid and nonhybrid specimens. The acoustic emission data is clustered by using Kmeans method based on weighted peak frequency and partial power parameters. Four different clusters are associated with four different failure types namely, Matrix cracking, fiber/matrix interface failure, fiber pull out and fiber breakage for each laminate. An finite element model based on Refined Zigzag Theory (RZT) is utilized to predict the linear behavior of composites and it is shown that onset of major damages recorded by acoustic emission sensors is corresponding to deviation of experimental stress-strain curve from model predictions. The second paper of this thesis uses full field strain measurements to analyze damage development under in-plane shear condition where glass/carbon fiber hybrid and nonhybrid laminates sequentially show linear and nonlinear response to the applied shear stress. Comparison of strain maps obtained from three-dimensional digital image correlation (DIC) system show the effect of stacking sequence on damage development behavior. Moreover, by selecting appropriate regions of interest for full field strain measurement technique i.e. DIC it is shown that accurate monitoring of shear behavior and failure at V-notch region is possible. The third part of this investigation shows that differences in tensile stress-strain curves obtained for hybrid and nonhybrid laminates by different strain measurement systems namely, surface mounted strain gauges, digital image correlation and two embedded FBG sensors inside the laminated composite material. The fluctuations in stress-strain curves are well-described using strain and thermal maps obtained by digital image correlation and thermal camera. It is shown that due to the nature of strain measurement techniques, global or local, some failures such as edge splitting might not affect all of strain measurement techniques and therefore cause miscalculation of initial failure point in hybrid laminates, i.e. overestimation of hybrid effect. Furthermore, DIC displacements are smoothed by Smoothing Element Analysis (SEA) and it is demonstrated that using such a mathematical modification can help to remove inherent noise of obtained data from full field measurements at low stress levels. Besides, smoothing analysis has successfully enabled early prediction of failure region in the composite material at stress levels 30% below the strength of laminate. Poisson's ratio evolution monitored through digital image correlation is used for the first time as a damage index and compared with that of biaxial strain gauges for each sample. It is shown that strain gauges indicate faster damage accumulation inside the laminates due to their direct contact with the material under loading condition.
Benzer Tezler
- Experimental investigation on the mechanical response of the impacted CFRP laminates and joints under different temperature conditions
Farklı sıcaklık koşullarında etkilenen CFRP laminatların ve derzlerin mekanik tepkisi üzerine deneysel araştırma
MAHSA SEYEDNOURANI
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiSabancı ÜniversitesiÜretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HATİCE SİNEM ŞAŞ ÇAYCI
- Investigation of impact behavior of laminated hybrid composite plates
Tabakalı hibrit kompozit plakaların darbe davranışının araştırılması
MEHMET BULUT
Doktora
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiMekanik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET ERKLİĞ
YRD. DOÇ. DR. EYÜP YETER
- Finite element simulation of ballistic impact on composite plates
Kompozit plaklar üzerine balistik darbenin sonlu eleman simülasyonu
BULUT BERK
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Makine MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAMAZAN KARAKUZU
- Rc/composite wall-steel frame hybrid buildings with connections and system behavior
Betonarme/kompozit perde duvar-çelik çerçeve hibrit binaların bağlantı ve sistem davranışı
GÖKHAN TUNÇ
Doktora
İngilizce
2002
İnşaat MühendisliğiUniversity of Cincinnatiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHRAM M. SHAHROOZ
- Multi-scale deformation and failure prediction of polycrystalline metals: A case study on impact and localization
Polikristal metallerin farklı ölçeklerde deformasyon ve kırılma öngörüsü: Darbe ve lokalizasyon üzerine vaka çalışması
MORAD MIRZAJANZADEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assoc. Prof. Dr. DEMİRCAN CANADİNÇ