Identifikacija oštećenja u kompozitima ojačanim staklenim vlaknima primjenom ex-situ mikro tomografskog ispitivanja

undergraduate thesis

• Title (english): Damage detection in glass fiber reinforced epoxy resin via ex-situ microtomography
• Author: Juro Bilobrk
• Mentor: Zvonimir Tomičević (mentor)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2020-02-27, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mechanical Engineering

Abstract

Zastupljenost kompozitnih materijala u izradi zahtjevnih inženjerskih konstrukcija i komponenti tijekom godina je u konstantnom porastu. Zahvaljujući svojim specifičnim mehaničkim svojstvima suvremena industrija stavlja poseban naglasak na modifikaciju postojećih i razvoj novih kompozitnih materijala. Međutim, zbog heterogenosti njihove mikrostrukture i anizotropnih mehaničkih svojstava opisivanje odziva kompozitnih materijala uslijed opterećenja je još uvijek izazov brojnim znanstvenicima. Kako bi se pouzdano opisalo ponašanje kompozitnih materijala te odredila mehanička svojstva kompozitnih materijala koriste se suvremene metode nerazornog ispitivanja materijala. Jedna od najzastupljenijih beskontaktnih metoda nerazornog ispitivanja materijala je računala tomografija koja pruža uvid kako u vanjsko tako i unutarnje stanje ozračenog materijala. Rekonstruiranjem registriranih projekcija dobivaju se 3D digitalne slike promatranog volumena interesa. Promatranjem rekonstruiranih 3D volumena te primjenom različitih tehnika analize slika (npr. segmentacija, binarizacija) moguće je odrediti promjene u registriranim volumenima. Međutim klasične metode analize digitalnih slika ne mogu na učinkovit i automatiziran način odrediti pozadinu ponašanja materijala iz 3D skenova. Iz tog razloga, primjenjuju se korelacijske metode za mjerenje cijelog polja pomaka kojima je moguće odrediti odziv materijala i odgovarajuće mehanizme unutar materijala koji se javljaju uslijed mehaničkog opterećenja.
U ovom radu provedeno je ex-situ mehaničko ispitivanje s ciljem identifikacije oštećenja i određivanja mehaničkih mehanizama koji dovode do gubitka krutosti kod epoksidne smole ojačane stohastički raspoređenim mat staklenim vlaknima. Uparivanjem laboratorijskog CT skenera i klasičnog jednoosnog ispitnog uređaja provedeno je predloženo ispitivanje na heterogenom materijalu. Tijekom cikličkog opterećenja ispitni uzorak je skeniran u neopterećenom stanju, tj. pri unaprijed definiranim iznosima mehaničkog opterećenja ispitni uzorak se rasteretio te skenirao primjenom laboratorijskog CT skenera. Dobivene 3D slike analizirane se primjenom globalnog DVC algoritma Correli C8 koji se temelji na metodi konačnih elemenata. Promatrani volumen interesa diskretiziran je različitim veličinama mreža konačnih elemenata. Iz dobivenih 3D polja pomaka i deformacija promatran je odziv kompozitnog materijala uslijed narinutog mehaničkog opterećenja. Osim toga, promatrane su odgovarajuće 3D mape korelacijskih reziduala kako bi se odredila mjesta nastanka oštećenja, odnosno mikropukotina unutar predloženog materijala. Preklapanjem polja korelacijskih reziduala s odgovarajućim presjekom mikrostrukture promatranog volumena interesa određen je uzrok nastanka mehanizma oštećenja uslijed predloženog režima mehaničkog opterećenja.

Abstract (english)

The application of composite materials in the production of demanding engineering constructions and components is constantly increasing over the years. Due to their specific mechanical properties, the modern industry gives emphasis on the modification of existing and development of new composite materials. However, because of their heterogenous microstructure and anisotropic mechanical properties, characterization of the material response of composite structures subjected under mechanical loading is still a great challenge for many scientists. Hence, modern non-destructive testing methods are used to reliably describe the behavior of composite materials and determine corresponding mechanical properties. One of the most commonly used non-contact non-destructive testing methods is computed tomography which gives full insight into external and internal state of the irradiated material. Reconstruction of the registered projections provides 3D digital images of the observed volume of interest. Observing the reconstructed 3D volumes and applying different image analysis techniques (e.g. segmentation, binarization), it is possible to determine changes in the registered volumes. However, classical methods for digital images analysis cannot determine the background of the material behavior from 3D scans adequately and automatically. Thus, the full-field measurements are conducted with application of correlation methods. Latter, enable the identification of material response and the corresponding mechanisms within the material that occur due to the imposed mechanical loading.
Within this thesis an ex-situ mechanical test was conducted to identify damage occurrence and to determine the underlying mechanical mechanisms that origins the decrease of stiffness in mat fiberglass reinforced epoxy resin composite. The proposed investigation of the heterogenous material was conducted coupling the laboratory CT scanner and a classical uniaxial testing machine. The testing sample is scanned in unloaded state during the cyclic loading history, i.e. at predefined loading regimes the test sample was unloaded and scanned using the laboratory CT scanner. The obtained 3D images were analyzed using the global DVC algorithm Correli C8 which is based on the finite element method. The observed volume of interest is discretized by the different sizes of finite element meshes. The response of the investigated composite material subjected to the cyclic loading was observed from the obtained 3D displacement and strain fields. In addition, the corresponding 3D correlation residuals maps were monitored in order to determine the damage location, i.e. microcracks within the proposed material. The origin of the damage mechanisms, inducted by the imposed mechanical loading regime, is detected by overlaying the correlation residuals maps on the top of the corresponding cross-section of the microstructure of the observed volume of interest.

• Keywords: kompoziti; nerazorna ispitivanja; računala tomografija; korelacija digitalnih volumena; ex-situ mehaničko ispitivanje; 3D polja pomaka i deformacija; korelacijski reziduali
• Keywords (english): composites; non-destructive testing; computed tomography; digital volume correlation; ex-situ mechanical testing; 3D displacement and strain fields; correlation residuals
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:622088
• Study programme: Title: Mechanical Engineering; Study programme type: university; Study level: undergraduate; Academic / professional title: sveučilišni/a prvostupnik/ prvostupnica (baccalaureus/baccalaurea) inženjer/inženjerka strojarstva (sveučilišni/a prvostupnik/ prvostupnica (baccalaureus/baccalaurea) inženjer/inženjerka strojarstva)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2020-02-24 09:11:53