Understanding failure mechanisms in hybrid fiber reinforced laminates through the combined usage of DIC, AE, thermography and optic based systems

Karbon fiber takviyeli polimer matris laminatlar, hafiflikleri, yüksek özgün tokluk ve mukavemetleri ve kimyasal dayanıklılıkları nedeniyle otomotiv, havacılık ve ulaşım yapılarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, bu laminatların yıkıcı arızası, kritik mühendislik uygulamaları bu laminatların yeterliliğini sınırlar. Fiber hibridizasyonu, bu sorunun üstesinden gelmenin ve Hibrit Etkisi kullanılarak carbon fiber takviyeli polimer matris laminatların güvenilirliğini artırmanın düşük maliyetli ve etkili bir yoludur. Bununla birlikte, laminatlı yapının içinde çok sayıda bileşenin varlığı ve malzeme içinde mekansal olarak heterojen hasar birikimi nedeniyle hibrit fiber laminatların başarısızlık analizi çok zordur. Bu nedenle, üç farklı bölümden oluşan bu çalışma, üç makale olarak verilen farklı incelemede, çeşitli yükleme koşulları altında yapısal sağlık izleme tekniklerinin eşzamanlı kullanımı ile cam /karbon fiber hibrit laminatlar içindeki başarısızlık mekanizmalarını ve hasar gelişimini kapsamlı bir şekilde analiz etmeyi amaçlamaktadır. Bu tezin ilk kısmında, hibrit ve hibrit olmayan numuneler için çekme ve eğilme testleri sırasında hasar artışını izlemek için akustik emisyon analizi kullanılmıştır. Akustik emisyon verileri, ağırlıklı tepe frekansı ve kısmi güç parametrelerine dayalı Kmeans yöntemi kullanılarak kümelenmiştir. Dört farklı küme, her bir laminat için Matris kırılması, fiber / matris arayüz hatası, fiber çekme ve fiber kırılması olmak üzere dört farklı hata tipiyle ilişkilidir. Kompozitlerin doğrusal davranışını tahmin etmek için Rafine Zigzag Teorisine (RZT) dayalı bir sonlu eleman modeli kullanılıdı ve akustik emisyon sensörleri tarafından kaydedilen büyük hasarların başlangıcının deneysel gerilim-gerinim eğrisinin model tahminlerinden sapmasına karşılık geldiği gösterildi. Bu tezin ikinci bölümünde, cam/karbon fiber hibrit ve hibrit olmayan laminatların uygulanan kayma gerilimine sırayla doğrusal ve doğrusal olmayan tepki gösterdiği düzlem içi kesme koşulu altında hasar gelişimini analiz etmek için tam alan gerinim ölçümlerini kullanır. Üç boyutlu dijital görüntü korelasyon (DIC) sisteminden elde edilen gerinim haritalarının karşılaştırılması, istifleme dizisinin hasar geliştirme davranışı üzerindeki etkisini göstermektedir. Ayrıca, tam alan gerinim ölçüm tekniği, yani DIC için uygun ilgi bölgelerinin seçilmesiyle, V-çentik bölgesindeki kayma davranışının ve bozulmanın doğru şekilde izlenmesinin mümkün olduğu gösterilmiştir. Bu araştırmanın üçüncü bölümü, hibrit ve hibrit olmayan laminatlar için farklı gerinim ölçüm sistemleri, yani yüzeye monte gerinim ölçerleri, dijital görüntü korelasyonu ve lamine kompozit malzeme içine gömülü iki FBG sensörü ile elde edilen çekme gerilme-gerinim eğrilerindeki farklılıkları göstermektedir. Gerilim-gerinim eğrilerindeki dalgalanmalar, dijital görüntü korelasyonu ve termal kamera ile elde edilen gerinim ve termal haritalar kullanılarak iyi tanımlanmıştır. Gerinim ölçüm tekniklerinin doğası gereği, küresel veya yerel, kenar bölme gibi bazı hataların tüm gerinim ölçüm tekniklerini etkilemeyebileceği ve bu nedenle hibrit laminatlarda ilk arıza noktasının yanlış hesaplanmasına, yani hibrit etkisinin fazla tahmin edilmesine neden olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, DIC yer değiştirmeleri, Düzleştirme Elemanı Analizi (SEA) ile yumuşatılır ve böyle bir matematiksel modifikasyonun kullanılmasının, düşük gerilim seviyelerinde tam alan ölçümlerinden elde edilen verilerin doğal gürültüsünü gidermeye yardımcı olabileceği gösterilmiştir. Ayrıca, düzeltme analizi laminatın mukavemetinin % 30 altındaki gerilme seviyelerinde kompozit malzemede kırılma bölgesinin erken tahminini başarıyla sağlamıştır. Dijital görüntü korelasyonu ile izlenilmış Poisson oranının evrimi, ilk kez bir hasar indeksi olarak kullanılmış ve her numune için iki eksenli gerinim ölçerlerinkiyle karşılaştırılmıştır. Gerinim ölçerlerin, yükleme koşulu altındaki malzeme ile doğrudan teması nedeniyle laminatlar içinde daha hızlı hasar birikimine yol açtığı gösterilmiştir.