An integrated NDT approach for damage assessment of CFRP composites under complex static and fatigue loads

Abstract

Carbon fiber polymer composite materials are considered one of the most promising lightweight candidates for load bearing applications in many engineering fields. Damage during loading of composite materials can appear under many different modes, like for instance matrix cracking, interlaminar delaminations and fiber breakage. Due to the anisotropy of composites, leading to complex stress states in the individual plies, the damage sequence is not unique and depends on many different parameters. Commonly applied damage criteria based only on calculations of stress components are not applicable in most of the cases and energy-based failure theories have to be developed. For this to happen, dedicated experimental data are of paramount importance. This PhD thesis contributes to this direction through an elaborate experimental damage characterization campaign on carbon/epoxy composite laminates in order to enrich the existing database in literature. In order to take into account the anisotropy of composite materials, angle-ply flat laminates having different off-axis plies were tested with the aim to develop different multiaxial stresses in their laminas and consequently different damage processes. Considering the fact that in the majority of real applications loads are dynamic, both static and fatigue experiments were conducted. The impact of different fatigue parameters on the mechanical response and the damage sequence of the material was examined. Detailed through-thickness damage observations were performed by using in-situ optical microscopy and precise correlations of the damage state with the stresses developed within the composite laminates were obtained. Apart from the different multiaxiality, a comparison between balanced and unbalanced laminates was performed, inspired by the shortage of experimental evidence regarding unbalanced configurations, even if they can lead to improved performance in applications requiring certain design parameters. Moreover, the impact of the relative number of off-axis layers with respect to the number of unidirectional plies on the overall mechanical deterioration was considered. In order to obtain detailed damage assessments, a Non-Destructive Testing (NDT) approach was established, based on Digital Image Correlation (DIC), Acoustic Emission (AE) and ultrasonic measurements. The potential of these techniques for damage identification in the composite material under multiaxial stress states was exploited. Classification of acoustic signals based on different damage modes was performed by selecting the most sensitive AE descriptors. Correlations of AE signatures with the stress state from early loading stages were established during static, incremental and fatigue loading. Finally, an upscaling of this approach was attempted by testing carbon/epoxy composite sub-components of a larger scale with a potential implementation in automotive applications. V-shape and hollow beam specimens were therefore examined in a progressive manner. Detailed damage observations and the precise location of fracture could be obtained by using a combination of DIC and AE assessments.

Τα σύνθετα υλικά πολυμερούς με ενίσχυση ανθρακονημάτων θεωρούνται από τις πλέον υποσχόμενες ελαφρές λύσεις για φέρουσες εφαρμογές σε πληθώρα τομέων της μηχανικής. Κατά τη φόρτιση των σύνθετων υλικών, η ανάπτυξη αστοχίας μπορεί να εμφανιστεί υπό διαφορετικούς μηχανισμούς, όπως ρηγμάτωση της μήτρας, αποκολλήσεις μεταξύ στρώσεων (interlaminar delaminations) και θραύση ινών. Λόγω της ανισοτροπίας των σύνθετων υλικών, η οποία οδηγεί σε πολύπλοκες καταστάσεις τάσεων στα επιμέρους στρώματα, η ακολουθία εμφάνισης της αστοχίας δεν είναι μοναδική και εξαρτάται από πλήθος παραμέτρων. Τα συνήθως εφαρμοζόμενα κριτήρια αστοχίας που βασίζονται αποκλειστικά στον υπολογισμό των συνιστωσών των τάσεων δεν είναι στις περισσότερες περιπτώσεις επαρκή, γεγονός που καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη θεωριών αστοχίας βασισμένων στην ενέργεια. Για τον σκοπό αυτό, η ύπαρξη εξειδικευμένων πειραματικών δεδομένων είναι καθοριστικής σημασίας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή συμβάλλει προς αυτή την κατεύθυνση μέσω μιας εκτεταμένης πειραματικής εκστρατείας χαρακτηρισμού της αστοχίας σε σύνθετα υλικά εποξικής ρητίνης/ινών άνθρακα, με στόχο τον εμπλουτισμό της υπάρχουσας βιβλιογραφικής βάσης δεδομένων. Προκειμένου να ληφθεί υπόψη η ανισοτροπία των σύνθετων υλικών, μελετήθηκαν επίπεδα ελάσματα γωνιακής στρώσης (angle-ply laminates) με διαφορετικό αριθμό και προσανατολισμό off-axis στρώσεων, ώστε να αναπτυχθούν διαφορετικές πολυαξονικές καταστάσεις τάσεων στις στρώσεις και, κατά συνέπεια, διαφορετικοί μηχανισμοί αστοχίας. Λαμβάνοντας υπόψη ότι στη συντριπτική πλειονότητα των πραγματικών εφαρμογών τα φορτία είναι δυναμικά, πραγματοποιήθηκαν τόσο στατικές όσο και δοκιμές κόπωσης. Εξετάστηκε η επίδραση διαφορετικών παραμέτρων κόπωσης στη μηχανική απόκριση και στην ακολουθία εμφάνισης της αστοχίας του υλικού. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκαν λεπτομερείς παρατηρήσεις της αστοχίας στο πάχος των δοκιμίων μέσω in-situ οπτικής μικροσκοπίας, επιτρέποντας την ακριβή συσχέτιση της κατάστασης αστοχίας με τις αναπτυσσόμενες τάσεις εντός των σύνθετων ελασμάτων. Πέραν της διερεύνησης διαφορετικών βαθμών πολυαξονικότητας, πραγματοποιήθηκε σύγκριση μεταξύ ισορροπημένων και μη ισορροπημένων (balanced και unbalanced) διατάξεων στρώσεων, με αφορμή την έλλειψη πειραματικών δεδομένων στη βιβλιογραφία για μη ισορροπημένες διαμορφώσεις, παρότι αυτές μπορούν να οδηγήσουν σε βελτιωμένη απόδοση σε εφαρμογές με συγκεκριμένες σχεδιαστικές απαιτήσεις. Επιπλέον, εξετάστηκε η επίδραση του σχετικού αριθμού των off-axis στρώσεων σε σχέση με τον αριθμό των μονοκατευθυντικών στρώσεων στη συνολική μηχανική υποβάθμιση του υλικού. Για την επίτευξη λεπτομερούς αποτίμησης της αστοχίας, αναπτύχθηκε μία ολοκληρωμένη προσέγγιση Μη Καταστροφικών Ελέγχων (Non-Destructive Testing – NDT), βασισμένη στον συνδυασμό Ψηφιακής Συσχέτισης Εικόνας (Digital Image Correlation – DIC), Ακουστικής Εκπομπής (Acoustic Emission – AE) και υπερηχητικών μετρήσεων. Η δυναμική των τεχνικών αυτών για την αναγνώριση αστοχίας σε σύνθετα υλικά υπό πολυαξονικές καταστάσεις τάσεων αξιοποιήθηκε πλήρως. Πραγματοποιήθηκε ταξινόμηση των ακουστικών σημάτων με βάση διαφορετικούς μηχανισμούς αστοχίας, μέσω της επιλογής των πλέον ευαίσθητων περιγραφικών παραμέτρων της ακουστικής εκπομπής. Επιπλέον, καθιερώθηκαν συσχετίσεις μεταξύ των χαρακτηριστικών των σημάτων AE και της κατάστασης τάσεων από τα αρχικά στάδια φόρτισης, τόσο κατά τη στατική όσο και κατά την κλιμακωτή και κυκλική φόρτιση κόπωσης. Τέλος, επιχειρήθηκε η κλιμάκωση της προτεινόμενης μεθοδολογίας μέσω δοκιμών σε σύνθετα υπο-δομικά carbon/epoxy στοιχεία μεγαλύτερης κλίμακας, με δυνητική εφαρμογή στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας. Μελετήθηκαν σταδιακά δοκίμια τύπου V και κοίλες δοκοί, όπου κατέστη δυνατή η λεπτομερής παρατήρηση της εξέλιξης της αστοχίας και ο ακριβής εντοπισμός της αστοχίας μέσω του συνδυασμού τεχνικών DIC και AE.