Structural health monitoring of carbon fiber reinforced plastics

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Helsinki University of Technology | Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2009
Major/Subject
Lentotekniikka
Mcode
Kul-34
Degree programme
Language
en
Pages
viii + 85 s. + liitt. 4
Series
Abstract
This thesis focuses on finding means to monitor the structural health of a load bearing carbon fiber reinforced plastic (CFRP) structure. Structure in question is unidirectional reinforced and the fiber direction dominates the dimensions of the structure. Different structural health monitoring (SHM) methods are evaluated and the best one is chosen for prototyping. The literature survey part discusses the needed attributes of a SHM system and the fatigue of the unidirectional reinforced CFRPs. Four methods that can be used for SHM are also discussed by determining their working principles and current applications in SHM of CFRPs. These four methods are resistance method, fiber optic sensing, acoustic emission and active thermography. Based on the literature survey, the resistance method is chosen for prototyping. The experimental part describes the test program, test equipment and the actions needed to be taken to set up the experiment. Eleven samples are fatigued and the results are presented. Seven of the measurements suffer from high noise but the results from all samples are promising. Eight of the measurements show a distinct increase in resistance, when 80 % - 95 % of the total load cycles to failure (fatigue life) have been used. This increase was well detected. Two samples started to show distinct increase in resistance before 50 % of the fatigue life had been used. These were high noise measurements but the increase was well detected. One of the measurements was only a partial success due to the failure of the electrical insulation. In this measurement the change in resistance due to fatigue cannot he seen but the failure of the insulation is clearly detected. Based on the test program described here, new tests are recommended. Also the properties of a resistance change method applying apparatus are described.

Tämän diplomityön tavoitteena on löytää kunnonvalvontamenetelmä kuormaa kantavalle hiilikuitulujitteiselle muovirakenteelle. Kyseisessä rakenteessa yksi dimensio hallitsee ja rakenne on vahvistettu yhdensuuntaisilla hiilikuiduilla. Työssä arvioidaan useita kunnonvalvontamenetelmiä ja kohteeseen parhaiten soveltuvaa menetelmää testataan menetelmäkokeissa. Diplomityön kirjallisuustarkasteluosassa pohditaan kunnonvalvontamenetelmältä vaadittavia ominaisuuksia ja yhdensuuntaisilla hiilikuiduilla vahvistetun muovikomposiittirakenteen väsymismekanismeja. Kirjallisuusosassa tarkastellaan myös neljää kunnonvalvontamenetelmää, jotka ovat: resistanssimenetelmä, kuituoptiset menetelmät, akustinen emissio ja aktiivinen lämpökuvaus. Kirjallisuustarkastelun perusteella resistanssimenetelmä valitaan menetelmäkokeisiin. Kokeellisessa osuudessa kuvaillaan koeohjelma ja -järjestelyt, sekä muut toimenpiteet kokeiden suorittamiseksi. Kokeissa väsytettiin 11 koekappaletta, joiden kuntoa valvottiin jatkuvasti resistanssimenetelmällä. Seitsemän mittausta kärsi voimakkaista häiriöistä mitattavassa signaalissa. Häiriöstä huolimatta koko koesarjan tulokset ovat lupaavia. Kahdeksassa mittauksessa on havaittavissa selvä vastuksen nousu, kun 80 % - 95 % kappaleen lopulliseen pettämiseen tarvittavista kuormitussykleistä on kulunut. Kahdessa mittauksessa vastuksen nousu alkaa ennen kuin 50 % lopulliseen pettämiseen tarvittavista kuormitussykleistä on kulunut. Nämä kaksi mittausta ovat voimakkaan häiriön alaisia mittauksia mutta vastuksen nousu on silti selvästi havaittavissa. Yksi mittaus onnistui vain osittain. Resistanssimenetelmä havaitsee kappaleen pinnoitteen pettämisen. Pinnoitteen pettämisestä johtuvat resistanssin muutokset peittävät kuitenkin alleen kaikki väsymisestä mahdollisesti johtuvat muutokset. Kokeellisen osuuden pohjalta suositellaan jatkotutkimuksia ja lisäkokeita. Myös resistanssimenetelmää käyttävän kunnonvalvontalaitteiston tarvittavia ominaisuuksia määritellään.
Description
Supervisor
Saarela, Olli
Thesis advisor
Valjus, Petteri
Keywords
structural health monitoring, kunnonvalvonta, carbon fiber reinforced plastic, hiilikuitulujitteiset muovikomposiitit, fatigue, väsyminen
Other note
Citation