Tensile-tensile fatigue testing and fatigue properties of quasi-unidirectional non-crimp fabric reinforced glass-fibre/epoxy laminates

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-02-02
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
76 + app. 72
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 236/2017
Abstract
This thesis focuses on tensile-tensile fatigue of quasi-unidirectional (quasi-UD) non-crimp fabric (NCF) reinforced glass-fibre/epoxy laminates. These laminates have good fatigue performance since fibre bundles exhibit a very small amount of crimp. They are commonly used in fatigue critical structures, e.g. in spar caps of wind turbine rotor blades. The thesis is divided into three parts. The first part is devoted to the development of an applicable test specimen configuration for tensile-tensile fatigue testing of the laminates. This is necessary because standard rectangular specimens tend to fail at the tab area, resulting in unrealistic fatigue life predictions. The thesis further focuses on the internal structure characterisation, fatigue damage evolution and fatigue performance of laminates reinforced with NCFs based on different stitch patterns and stitch tensions. The third part concentrates on dry and wet compaction of quasi-UD NCF preforms, with the aim of finding out how the NCF structure and preform thickness possibly affect the final thickness and fibre volume fraction (FVF) of the laminate. The first part revealed that the developed dog-bone specimen configuration decreased tab failures and yielded significantly higher fatigue lives for UD laminates when compared to the fatigue lives measured with rectangular and slightly different dog-bone specimens. Fatigue tests and mesostructural analyses performed in the second part indicated that damage evolution and the measured fatigue life were significantly dependent on the stitch pattern, while they were not dependent on the stitch tension. The main reasons for the differences were apparently the waviness of axial fibres that were dependent on the stitch pattern but not on the stitch tension. The study also revealed that the mutual location of stitch patterns in neighbouring fabrics affects the fatigue life of the laminates. Finally, the thesis showed that the dry and wet compaction of quasi-UD preform is dependent on the stitch pattern but not on the stitch tension. In addition, the fabric shift perpendicular to the axial fibre bundles had a small effect on the thickness of the preform. The results of the first part suggest that the developed specimen configuration is applicable for fatigue tests and provides more reliable fatigue lives for quasi-UD laminates when compared to the reference specimens. However, even with this configuration, part of the specimens failed outside the gauge section, meaning that there is a need for further development of the specimen. The results of the second part revealed that stitch patterns that keep fibre bundles well-aligned provide the best fatigue lives for the laminates. The results also revealed that the mutual location of neighbouring fabrics might affect the fatigue life of the laminates. Thus, the locations should be the same, e.g. when the objective is to compare the fatigue lives of laminates with different stitch patterns and tensions. The results in the third part indicated that FVFs of thin test laminates for fatigue tests correspond well to the FVFs of thicker laminates used in the compaction tests.

Väitöskirjatutkimus keskittyy näennäisesti yhdensuuntaisista suorakuitulujitteista valmistettujen lasikuitu-epoksilaminaattien vetoväsytystestaukseen. Tällaisilla laminaateilla on hyvät väsymisominaisuudet, koska kuitukimppujen mutkaisuus on hyvin pientä. Niitä käytetään esimerkiksi tuulimyllyjen lapojen kuormaa kantavissa salkorakenteissa. Väitöskirja jakautuu kolmeen osaan. Ensimmäisessä osassa keskitytään vetoväsytystestaukseen soveltuvan, mitta-alueeltaan kavennetun koesauvakonfiguraation kehittämiseen, sillä standardoidut suorakaiteen muotoiset koesauvat hajoavat usein päätyvahvikkeista tuottaen epärealistisia väsymiselinikiä. Toisessa osassa keskitytään suorakuitulujitteilla lujitettujen laminaattien sisäisen rakenteen tutkimiseen sekä laminaattien väsymisvaurioitumisen ja väsymiskestävyyden tutkimiseen. Kolmannessa osassa tutkitaan suorakuitulujitteista muodostettujen lujiteaihioiden kuiva- ja märkäpakkautuvuutta. Väitöskirjan ensimmäinen osa osoitti, että kehitetty koesauva vähentää yhdensuuntaisen laminaatin päätyvahvikevaurioita ja sietää merkittävästi enemmän kuormitussyklejä kuin standardin mukainen suorakaiteen muotoinen koesauva ja kehitetystä koesauvasta hieman poikkeava kavennettu koesauva. Toisen osan koetulosten mukaan suorakuitulujitteen tikkausparametreista tikin muoto vaikuttaa, mutta tikin kireys ei vaikuta laminaatissa väsytysvaurioiden kehittymiseen ja mitattuun elinikään. Merkittävin syy eroavaisuuksiin on oletettavasti kuitujen mutkittelu, joka riippuu tikin muodosta, mutta ei sen kireydestä. Koetulokset osoittivat myös, että tikkauksen sijainti vierekkäisen lujitteen tikkaukseen nähden vaikuttaa laminaatin elinikään. Kolmannen osan tulokset osoittivat, että tikin muoto vaikuttaa, mutta tikin kireys ei vaikuta lujiteaihion paksuuteen pakkautuvuuskokeissa. Tulokset osoittivat myös, että pitkittäisten kuitukimppujen keskinäinen asema vaikuttaa hieman lujiteaihion paksuuteen. Väitöskirjan ensimmäisen osan tulokset osoittavat, että kehitetty kavennettu koesauvakonfiguraatio on soveltuva väsytystestaukseen, sillä se tuottaa realistisempia elinikiä verrattuna referenssikoesauvoihin. Osa koesauvoista kuitenkin rikkoontui mitta-alueen ulkopuolelta, joten koesauvan jatkokehitys on yhä tarpeen. Toisen osion tulokset paljastivat, että laminaattien paras väsymiskestävyys saavutetaan tikkimuodolla, joka pitää kuitukimput mahdollisimman suorassa. Tulokset myös osoittivat, että kuitukimppujen keskinäinen sijainti saattaa vaikuttaa laminaatin elinikään. Siksi lujitteiden keskinäisen sijainnin tulisi olla sama, kun vertaillaan eri tikkausparametreilla valmistettujen suorakuitulujitteisten laminaattien elinikiä. Kolmannen osan tulokset osoittivat, että ohuiden väsytyskoelaminaattien kuitupitoisuudet vastaavat hyvin pakkautuvuuskokeissa tutkittujen paksumpien laminaattien kuitupitoisuuksia.
Description
Supervising professor
Saarela, Olli, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Thesis advisor
Kanerva, Mikko, Prof., Tampere University of Technology, Finland
Keywords
non-crimp fabrics, UD laminate, quasi-UD laminate, fatigue, S-N curve, suorakuitulujite, yhdensuuntainen laminaatti, näennäisesti yhdensuuntainen laminaatti, väsyminen, S-N käyrä
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Korkiakoski, Samuli; Brøndsted, Povl; Sarlin, Essi; Saarela, Olli. Influence of specimen type and reinforcement on measured tension–tension fatigue life of unidirectional GFRP laminates. International Journal of Fatigue, Volume 85, pages 114-129, 2016.
    DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2015.12.008 View at publisher
  • [Publication 2]: Korkiakoski, Samuli; Sarlin, Essi; Suihkonen, Reija; Saarela, Olli. Internal structure and fatigue performance of quasi-unidirectional Non-Crimp Fabric reinforced laminates. Journal of Composite Materials, Volume 51, pages 3405-3423, 2017.
    DOI: 10.1177/0021998316683783 View at publisher
  • [Publication 3]: Korkiakoski, Samuli; Sarlin, Essi; Suihkonen, Reija; Saarela, Olli. Influence of reinforcement positioning on tension-tension fatigue performance of quasiunidirectional GFRP laminates made of stitched fabrics. Composites Part B: Engineering, Volume 112, pages 38-48, 2017.
    DOI: 10.1016/j.compositesb.2016.12.017 View at publisher
  • [Publication 4]: Korkiakoski, Samuli; Haavisto, Mikko; Rostami Barouei, Mohammad; Saarela, Olli. Experimental Compaction Characterization of Unidirectional Stitched Non-Crimp Fabrics in the Vacuum Infusion Process. Polymer Composites, Volume 37, Issue 9, pages 2692-2704, 2016.
    DOI: 10.1002/pc.23464 View at publisher
Citation