Frp kompozitlerin yapısal sağlık takibinin fbg sensörler kullanılarak gerçekleştirilmesi

Kompozit malzemelerin havacılık, denizcilik, enerji ve otomotiv endüstrilerindeki kullanımı oldukça yaygınlaşmış durumdadır.Bu malzemelerin bilinen avantajları, onları karmaşık yük taşıyıcı yapılar için tercih edilir kılmaktadır. Fakat, kompozit malzemelerin uzun süreli kullanımlarındaki yorulma benzeri durumlara karşı bilinmeyen dayanım özellikleri, tasarım aşamasında görece yüksek güvenlik katsayıları gerektirdiği için, bu malzemelerin bilinen metalik malzemelerin tamamiyle yerine geçmesi kısa vadede mümkün gözükmemektedir. Bu çalışma yapıların kullanım esnasındaki bütünlüğü hakkında fiber Bragg ızgara (FBG-Fiber Bragg Grating) sensörler yardımıyla sürekli bilgi sahibi olunmasını sağlayacak yapısal sağlık takibi (SHM-Structural Health Monitoring) yöntemleri geliştirerek güvenlik odaklı tasarım anlayışının değişmesine olanak tanımak adına gerçekleştirilmiştir. Bir FBG sensör belli bir dalgaboyundaki ışığı ışık kaynağına geri yansıtan bir çeşit filtre gibi çalışmaktadır. Geri yansıtılan ışığın tepe dalgaboyu, sensör içerisindeki ızgaraların arasındaki mesafeye bağlıdır. Izgaralar arasındaki mesafe değiştiğinde, geri yansıtılan ışığın tepe dalga boyu değişir. FBG sensörlerin bu özelliği onların mükemmel bir gerinim ölçer olmasını sağlamaktadır. Küçük çapları, elektromanyetik alanlara karşı olan bağışıklıkları, çoğullanabilme ve malzeme içerisine gömülebilme özellikleri gibi bir çok avantajı bulunan FBG sensörlerin, yapısal sağlık takibi için benzeri olmayan bir algılayıcı tipi olduğu söylenebilir. FBG sensörlerin kompozit malzemelerin içerisine gömülmesi, özellikle kapalı bir kalıp üzerine kurulu olan Reçine Transfer Kalıplama (RTM-Resin Transfer Molding) gibi yöntemler ile uygulandığında oldukça hassas ve karmaşık bir işlemdir. RTM yöntemiyle üretilen numunelerin henüz tasarım aşamasında fiber optik kablo çıkışının belirlenmesi ve numuneden çıkan bu kablonun üretim boyunca korunması gerekmektedir. Bu çalışmanın başında, sensör içeren fiber optik kablonun numuneden dışarıya çıkarılma yöntemi sebebiyle FBG sensör içeren numunelerin testleri özel aparatlar kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışmalar göstermiştir ki bu ek aparatlar gerçekleştirilen deneyleri daha karmaşık hale getirmiş ve numunelerin çoğunlukla yorulma testleri esnasında beklenenden çok daha erken kırılmasına sebebiyet vermiştir. Bu durumu aşmak için, tezin ilk araştırmaları optik sensörlerin numunelereden daha efektif bir çıkışının sağlanarak hem üretim hem de deney süreçlerinin daha verimli bir hale getirilmesi üzerine yoğunlaştırılmıştır. Bu bağlamda, çalışmalar sonucunda L şeklinde deney numuneleri geliştirilmiş ve aparat gereksinimi tamamen ortadan kaldırılarak deneylerle ilgili tüm sıkıntılar giderilmiştir. Gömülü FBG sensörler, SHM uygulamaları için oldukça değerli olabilecek bir özellik olan yorulma yükü altındaki yapı içerisinden sürekli veri toplayabilme görevine çok uygundurlar. Bu tez çalışmasında, kompozit malzemelere gömülmüş FBG sensörlerden yorulma yüklemesi altında sürekli olarak alınan veri vasıtasıyla her bir yük tekrarında harcanan gerinim enerjisi miktarı hesaplanarak literatürde bir çok araştırmacının çalışmalar yürüttüğü kalan ömür tahmini gerçekleştirilmiştir. Öncelikle sensör içermeyen cam fiber takviyeli polimerik (GFRP-Glass Fiber Reinforced Polymeric) kompozit numunelerin geniş kapsamlı deneysel çalışmaları yapılmış ve çeşitli gerinim oranlarında strain enerjisi salınım oranı (SERR-Strain Energy Release Rate) değerleri bulunarak malzemenin yorulma katsayıları çıkartılmıştır. Sonrasında FBG gömülü GFRP numuneler üretilmiş ve yorulma testlerine tabi tutulmuştur. Çalışmalar FBG sensörlerin yorulma yükü altında kompozit malzemeler içerisinden veri toplamada çok başarılı olduğunu göstermiştir. Kompozit içerisindeki homojen olmayan micro yapılar sebebiyle oluşan değişken gerinim bölgelerinin uzun FBG sensör sinyalinde tepe dalgaboyunun ayrışmasına sebebiyet verdiği gözlemlenmiş, bu sebeple kısa uzunluğa sahip gömülü FBG sensörlerin daha güvenilir sinyal sağladığı sonucuna varılmıştır. FBG sensörler 4 Hz frekansta gerçekleştirilen yorulma deneyleri esnasında malzemedeki sinüsoidal gerinim davranışının hassas bir biçimde ede edilmesini sağlamışlardır. Bu FBG verisi analiz edilerek kalan ömür tahminleri belli kabuller altında başarıyla gerçekleştirilmiştir. İlginç bir sonuç olarak, dış sensörler vasıtasıyla elde edilen kompozit malzemenin global davranışı ile gömülü FBG sensörlerden elde edilen lokal davranış arasında farklılıklar olduğu gözlemlenmiştir. Kullanılan FBG sensörlerin numunelerin kırılma anlarına kadar çalışır durumda kalabildiği not edilmelidir. Bu durum uygulanan yöntemin gerçek hayatta güvenle kullanılabileceğinin en önemli göstergesidir. Çift FBG sensörün tek bir fiber optik kablo üzerine yazılması ile çoklu sensör oluşturularak çift eksenli gerinim sensör konfigurasyonu elde edilmiş ve sensörler bu şekilde malzeme içerisine gömülmüştür. Bu yöntem yorulma yükü altındaki malzemenin içerisinde oluşan gerinim değişimlerinin hem eksenel (yüke paralel) hem de yanal yönlerde elde edilmesine olanak tanımıştır. FBG sensörlerden elde edilen gerinim verisi analiz edilerek GFRP kompozitten üretilmiş numunelerdeki Poisson oranı her bir yük tekrarı için ayrı ayrı elde edilmiştir. Yorulma deneyleri esnasında elde edilen FBG verileri tekrarlı yükleme sebebiyle malzemenin Poisson oranında azalma davranışı gösterdiğini ortaya koymuştur. Kompozit malzemelerin o anki yapısal bütünlüğü hakkında önemli bir gösterge olan Poisson oranının FBG sensörler vasıtasıyla tüm malzeme ömrü boyunca anlık olarak başarıyla izlenebileceği görülmüştür. Bu çalışmalar esnasında hem ekstensometre hem de deplasman kontrollü deneyler gerçekleştirilmiştir. Önceki çalışmadakine benzer şekilde, FBG sensörlerin lokal olarak gözlemlediği kompozit davranışı ile ekstensometre ve deplasman ölçüm cihazlarının gösterdiği tüm ölçüm alanı için global olarak ölçülen veriler farklılık göstermiştir. Buna ek olarak, aynı deneylerde kullanılan gerinim ölçerlerin özellikle yorulma yükleri altında FBG'ler gibi dayanıklı olmadığı görülmüştür. Düşük gerinim oranlı bir yorulma deneyi esnasında 3.5 milyondan fazla yük tekrarı uygulanmış, deney malzemede gözle görünen herhangi bir hasar bulunmaması sebebiyle sonlandırılmış ve her iki FBG sensörün de hatasız biçimde görevlerini deneyin sonuna kadar yerine getirdiği görülmüştür. Bu çalışma kapsamında, sıcaklığın FRP kompozitler ve bu kompozitler içerisine gömülmüş olan FBG sensörleri nasıl etkilediği de incelenmiştir. Hem RTM hem de vakum kürleme masası ile üretilmiş numuneler soğuk, oda sıcaklığı ve yüksek sıcaklık ortamlarında mekanik olarak incelenmiştir. RTM ile üretilen numunelerin her sıcaklık ortamında daha iyi performans gösterdiği gözlemlenmiştir. Malzemenin nihai kopma dayanımının oda sıcaklığındaki değerlere kıyasla -40C'lik soğuk ortamda yükseldiği, 70C'lik sıcak ortamda ise azaldığı görülmüştür. Her iki üretim yöntemi ile elde edilen kompozit numuneler arasındaki fiber hacim oranı farkı göz önünde bulundurulduğunda, değişen sıcaklıklara bağlı statik mekanik özelliklerde çok ciddi meretebe farkları gözlemlenmediği de not edilmelidir. Yüzey kalitesi bakımından karşılaştırma ise oldukça farklı sonuçlar doğurmuştur. Elle yatırılarak vakum kürleme masasında üretilen numunelerde çok fazla hava kabarcığı kaldığı ve yüzeylerinin ciddi ölçüde gözenekli bir yapıya sahip olduğu görülürken, RTM yöntemi ile üretilen numunelerin mükemmel yüzey kalitesiyle birlikte gözle görülür hiç bir hava kabarcığı ve gözenek içermediği gözlenmiştir. Sonuçlar, ıslak elle yatırma tekniğinin malzeme içerisindeki süreksizliklere karşı oldukça hassas olan FBG sensörlerin gömülmesine müsait olmadığını göstermektedir. Buna ek olarak, ıslak elle yatırma ile üretilmiş numunelerdeki gözenekli yapı yorulma dayanımında büyük kayıp yaratacağı için bu numunelerin tekrarlı yüklere maruz kalmaya uygun olmadığı da belirtilmelidir. Bu sebeplerle, sadece RTM ile üretilmiş FBG içeren numunelerin sıcak ortam yorulma deneylerinin yapılması uygun bulunmuştur. Deney 50C'de 0.27 gerinim oranında gerçekleştirilmiştir. 2 milyondan fazla yük tekrarı uygulanmış deney numunesi herhangi bir hasara uğramamış ve bununla birlikte FBG sensör de görevini deney sonuna kadar başarıyla devam ettirmiştir. Sensör verisi SERR hesaplaması için kullanılmış ve analizlerde sıcaklığa bağlı herhangi bir olumsuzluk görülmemiştir. Delik içeren fiber takviyeli kompozitler de SHM bakış açısı ile incelenmiştir. 4mm çapında merkezi delik biçiminde çentik içieren GFRP numuneler üretilmiştir. Malzemenin davranış biçiminin anlaşılması için başlangıç aşamasında sensör içermeyen numunelerin statik çekme testleri gerçekleştirilmiştir. Sonrasında, çift eksenden ölçüm almak üzere FBG sensörler içeren üç numune üretilmiştir. Eksenel ve yanal sensörler her üç numune için delik merkezinden sırasıyla 4mm, 7mm ve 10mm mesafelere yerleştirilmiştir. CNC ile deliklerin açılırken FBG sensörler ile numunelerin yapısal takipleri gerçekleştirilmiştir. Delme esnasında elde edilen veriler incelendiğinde kürlenme sürecinden kaynaklanan kalıntı gerinimlerin bu işlem nedeniyle hangi büyüklüklerde serbest kaldığı elde edilmiştir. Delik merkezinden 7mm mesafede sensörler içeren numune statik olarak test edilmiştir. Her iki sensör de numunenin kırılmasına kadarki süreçte beklenen şekilde veri sağlamıştır. Diğer FBG içeren numuneler ise yorulma deneyleri yapılarak incelenmiştir. Çalışmalar, delik kenarından 2mm, yani merkezden 4mm mesafede yer alan FBG sensörlerin delik çevresinde tekrarlı yükleme kaynaklı hasarın ilerlemesi sebebiyle toplam yorulma ömrünün sadece % 28 ila % 40'lık bir kısmında veri sağlayabildiğini göstermiştir. Diğer numunedeki delik kenarına 8mm mesafeye (merkezden 10mm mesafeye) yerleştirilmiş FBG sensörler, malzemenin yaklaşık 50000 tekrarlık yorulma ömrü boyunca çalışır durumda görevlerini idame ettirmişlerdir. Analiz edilen FBG verisi deney süresince delik çevresinde oldukça düzensiz bir gerinim davranışı oluştuğunu göstermektedir. Hasara bağlı olarak oldukça değişken bir gerinim bölgesi olan delik çevresinin gömülü FBG sensörler için en zorlu kullanım alanlarından birini oluşturduğunu belirtmek gerekir. Bunun en büyük nedenlerinden biri kuşkusuz FBG sensörlerin dairesel delik şeklindeki çentik çevresinde hızla ilerleyen çatlaklara doğrudan maruz kalmasıdır. Buna rağmen, gömülü sensörler delikten belirli bir mesafeden itibaren yorulma yüklemesi altında yapısal sağlık takibi görevlerini yerine getirmiştir. FBG sensörlerin delikli kompozit malzemeler içerisindeki davranışları yukarıdaki araştırmalara ek olarak sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmiştir. Bu çalışmada FBG içeren tek yönlü karbon/epoksi kompozit numuneler ele alınmıştır. Bu malzeme, çalışmalar esnasında FBG sensörlerin 1mm kalınlıktaki ince numunelerde yorulma takibi araştırması amacıyla kullanılmış ve oldukça iyi sonuçlar elde edilmiştir. Öncelikle malzeme katsayıları deneyler ile elde edilmiş, sonrasında bütün bir numune ve sadece delik çevresi ayrı ayrı sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak modellenmiştir. Bu modeller sayesinde FBG sensörlerin çekme yüklemesi altında delikli kompozitler içerisindeki davranışları hakkında detaylı bilgiler elde edilmiştir. Sonuçlar, delik kenarına ve numunenin eksenel yönünde tam ortasına yerleştirilmiş bir FBG sensörün kendi uzunluğu boyunca ciddi miktarlara (yaklaşık 900 mikrogerinim) ulaşan bir gerinim dağılımına maruz kaldığını ortaya koymaktadır. Delik kenarına yerleştirilmiş bir FBG sensörün, delik çevresindeki ilerleyen hasar durumu ihmal edildiği durumda bile, oldukça çetrefilli bir değişken gerinim alanı içerisinde kaldığı ortaya konmuştur. Bu bağlamda sonuçlar, önceki çalışmalarda yorulma yüklemesine maruz bırakılmış delikli numuneler içerisindeki FBG sensörlerin karmaşık davranış biçimlerine ışık tutmaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında fiber takviyeli kompozitlerin statik ve yorulma takipleri FBG sensörlerin verimli bir şekilde kullanılmasıyla birlikte hayata geçirilmiştir. Belirtilmelidir ki kompozit malzemelerin gömülü sensörler ile takibi için kullanılan bu yöntemler geleceğin yapısal sağlık takibi sistemleri için güçlü bir altyapı oluşturmuştur.