Learning Centre

Non-destructive evaluation and modelling of unidirectional carbon fiber composite ropes

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Antin, Kim-Niklas
dc.date.accessioned 2019-10-18T09:01:32Z
dc.date.available 2019-10-18T09:01:32Z
dc.date.issued 2019
dc.identifier.isbn 978-952-60-8721-4 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-8720-7 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/40749
dc.description.abstract A holistic condition monitoring approach for carbon fiber composite ropes is presented in this dissertation. The concept for the non-destructive evaluation was created considering demanding specifications, while enabling online damage detection, localisation, characterisation, decision and prediction. The commercial eddy current probes tested were unable to detect fiber breaks in the electrically anisotropic material and therefore novel probes optimised for unidirectional carbon fiber inspection were designed and tested to reach high sensitivity to local variations in conductivity. Localisation and high-speed inspection capabilities were demonstrated in field conditions. A defect was detected and localised in a rope moving at 4 m/s. Contactless high-speed inspection is a requirement for uninterrupted operation of a rope and the capabilities presented here have not been published before. X-ray laminography using photon-counting detectors was developed for characterisation, because the state-of-the-art is missing a solution that provides more information than plain 2D digital radiography using photon-counting detectors, but is easier to implement in field conditions than tomography. Near-planar defects like delaminations can be challenging for X-ray inspection, but it was shown that having multiple angles of incidence allows the reconstruction and characterisation of low-volume defects at various orientations. The complex nature of damage evolution in composites makes acceptance criteria difficult to define and therefore a simulation approach is presented in this dissertation. The approach is based on 3D finite element multiscale modelling using forward micromechanics instead of resorting to calibration, inverse micromechanics or microstructure generators to account for the lack of exact microscale inputs. While nanoindentation did not provide a reliable means for determining material properties, image-based meshing from micrographs was successfully used. The simulations were in good agreement with the experimental results and showed the effect of a resin-rich zone. Predicting the remaining service life remains a topic for future research. en
dc.description.abstract Tässä väitöskirjassa esitetään hiilikuitukomposiitista valmistetun köyden kunnonvalvontajärjestelmän periaatteet. Järjestelmä perustuu käytön aikaiseen rikkomattomaan tarkastukseen, joka jaettiin viiteen osa-alueeseen: havaitseminen, paikallistaminen, karakterisointi, päätöksenteko ja ennustaminen. Kaupalliset pyörrevirtaluotaimet eivät kyenneet havaitsemaan kuitukatkoja ja siksi kehitettiin uusi luotain, joka on optimoitu yhdensuuntaiselle hiilikuitukomposiitille ja on herkkä havaitsemaan paikallisia muutoksia sähkönjohtavuudessa. Luotaimen kyky paikallistaa vikoja suurella tarkastusnopeudella osoitettiin kenttäolosuhteissa. Kosketukseton ja suurella nopeudella tapahtuva tarkastus on välttämätöntä käytön aikaista tarkastusta ajatellen, eikä vastaavaa ole aikaisemmin julkaistu. Havaitun ja paikallistetun vian karakterisointi suoritetaan röntgensäteiden avulla. Tässä työssä osoitettiin laminografian olevan paras vaihtoehto muihin röntgentarkastumenetelmiin verrattuna. Se mahdollistaa yksinkertaisemman laitteiston kuin röntgentomografia, mutta tarjoaa kolmiulotteista tietoa viasta, toisin kuin perinteinen digitaalinen radiografia. Järjestelmällä havaittiin ohuita delaminaatioita useassa eri orientaatiossa, mikä on yleisesti ottaen hankala vauriotyyppi röntgentarkastukselle. Kun havaittu ja paikallistettu vika on karakterisoitu, voidaan päättää tarvittavista toimenpiteistä. Päätöksenteko on erityisen vaikeaa kuitukomposiittien tapauksessa, sillä vauriotyyppejä on useita ja ne voivat olla jakautuneita laajalle alueelle. Tässä työssä esitetään mallinnukseen pohjautuva lähestymistapa, jolla arvioidaan vaurion vaikutuksia. Mallinnus perustuu mikromekaaniseen kolmiulotteiseen elementtimenetelmään, jonka lähtökohdat ovat mikrorakenne ja materiaaliominaisuudet. Lähtökohdat on syytä tuntea tarkkaan, sillä esitetty lähestymistapa ei käytä kalliisiin ja aikaavieviin mittauksiin perustuvia käänteisiä menetelmiä tai kalibrointia, kuten useimmat muut moniskaalamallit. Mikrorakenne onnistuttiin verkottamaan suoraan mikrorakennekuvista, mutta materiaaliominaisuuksien selvittämiseen käytetty nanoindentaatio osoittautui epäluotettavaksi erittäin paikallisen kuormitustapansa takia. Mallinnustulokset vastasivat koetuloksia ja osoittivat esimerkkinä käytetyn hartsirikkaan alueen vaikutuksen lujuuteen venymäkeskittymien muodossa. Jäljellä olevan käyttöiän ennustaminen vaatii jatkotutkimusta. fi
dc.format.extent 58 + app. 65
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 168/2019
dc.relation.haspart [Publication 1]: Antin, Kim-Niklas; Machado, Miguel A.; Santos, Telmo G.; Vilaca, Pedro. Evaluation of Different Non-destructive Testing Methods to Detect Imperfections in Unidirectional Carbon Fiber Composite Ropes. Springer. Journal of Nondestructive Evaluation, 2019, 38:23. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201903052166. DOI: 10.1007/s10921-019-0564-y
dc.relation.haspart [Publication 2]: Machado, Miguel A.; Antin, Kim-Niklas; Rosado, Luis S.; Vilaca, Pedro; Santos, Telmo G. Contactless high-speed eddy current inspection of unidirectional carbon fiber reinforced polymer. Elsevier. Composites Part B: Engineering, 2019, 168. Pp. 226-235. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201902252072. DOI: 10.1016/j.compositesb.2018.12.021
dc.relation.haspart [Publication 3]: Schumacher, David.; Antin, Kim-Niklas; Zscherpel, Uwe; Vilaca, Pedro. Application of Different X-ray Techniques to Improve In-Service Carbon Fiber Reinforced Rope Inspection. Journal of Nondestructive Evaluation, 2017, 36:62. DOI: 10.1007/s10921-017-0441-5
dc.relation.haspart [Publication 4]: Antin, Kim-Niklas; Laukkanen, Anssi; Andersson, Tom; Smyl, Danny; Vilaca, Pedro. A multiscale modelling approach for estimating the effect of defects in unidirectional carbon fiber reinforced polymer composites. Materials, 2019, 12:12. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201908154711. DOI: 10.3390/ma12121885
dc.subject.other Mechanical engineering en
dc.title Non-destructive evaluation and modelling of unidirectional carbon fiber composite ropes en
dc.title Hiilikuitupolymeerikomposiittiköyden rikkomaton tarkastus ja mallinnus fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Engineering en
dc.contributor.department Konetekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Mechanical Engineering en
dc.subject.keyword carbon fiber en
dc.subject.keyword non-destructive evaluation en
dc.subject.keyword modelling en
dc.subject.keyword hiilikuitu fi
dc.subject.keyword rikkomaton tarkastus fi
dc.subject.keyword mallinnus fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-8721-4
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Vilaça, Pedro, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland; Hänninen, Hannu, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
dc.opn Aggelis, Dimitrios G., Prof., Vrije Universiteit Brussel, Belgium
dc.contributor.lab Advanced Manufacturing and Materials en
dc.rev Aggelis, Dimitrios G., Prof., Vrije Universiteit Brussel, Belgium
dc.rev Batista dos Santos, Jaime, Prof., Coimbra University, Portugal
dc.date.defence 2019-10-09
local.aalto.acrisexportstatus checked 2019-11-22_1534
local.aalto.formfolder 2019_10_18_klo_10_27
local.aalto.archive yes


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse