26713

استفاده از روش گسترش امواج لمب براي تشخيص آسيب ترك زمينه در كامپوزيتهاي چندلايهي ناهمسانگرد

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- طراحي كاربردي

1398-1400

1400/12/16

محمود مهرداد شكريه - سياوش كاظمي راد

مهندسي مكانيك

عواملي مانند غيرايزوتروپيك بودن كامپوزيت¬هاي لايه¬اي و ايجاد مودهاي آسيب مختلف در لايه¬هاي متفاوت و رفتار ويسكوالاستيك آن¬ها، دشواري¬هاي بسياري در تشخيص آسيب اين مواد ايجاد مي¬كنند. در اين تحقيق، استفاده از امواج فراصوت هدايت شونده لمب، كه پتانسيل تشخيص آسيب در نمونه¬هاي كامپوزيتي پيچيده را به عنوان بخشي از يك سيستم نظارت بر سلامت ساختاري از خود نشان داده¬اند، مورد بررسي قرار گرفته¬اند. در تحقيق حاضر، آسيب در يك سازه با تجزيه و تحليل تفاوت بين ويژگي¬هاي انتشار امواج لمب در نمونه¬هاي آسيب ديده در مقابل نمونه¬هاي سالم، تشخيص داده مي‌شود. به اين منظور، يك كد در محيط نرم¬افزار متلب توسعه داده شد. در اين كد، ويژگي¬هاي انتشار امواج لمب با حل معادلات موج با استفاده از رويكرد ماتريس عمومي استخراج مي¬شوند. همينطور، از تئوري هشين، تئوري كلاسيك چندلايه¬اي و معكوس آن نيز در مسير تشخيص آسيب استفاده مي¬شود. نتايج بدست آمده از كد توسعه داده شده، ابتدا با داده¬هاي آزمايشگاهي موجود صحت¬سنجي شد. سپس، با بررسي اثرات آسيب با چگالي¬هاي مختلف در كامپوزيت¬هاي با مقادير مختلف m و n، خواص، و ضخامت¬هاي متفاوت، نشان داده شد كه گسترش امواج لمب حتي به كوچك¬ترين تغيير در خصوصيات ماده حساس است. همچنين ديده شده كه هرچقدر تعداد لايه¬هاي خارج محور بيشتر باشد، انتقال اطلاعات آسيب بهتر و سريع¬تر صورت مي¬پذيرد. علاوه بر اين، مود S0 كه مود بنيادي متقارن است، تغيير در خواص ماده را بسيار واضح¬تر و سريعتر از مود A0 كه مود بنيادي ضد-متقارن مي¬باشد. نتايج نشان مي¬دهد كه به ازاي درصد آسيب يكسان، تغيير بيشتري در سرعت فاز مود S0 مشاهده مي¬شود. براي مثال در يك ضخامت كامپوزيت يكسان، با اعمال 10% ترك زمينه، وقتي 1-3 =m/n باشد، 6/9% تغيير در سرعت فاز مود A0 و 27% تغيير در مود S0، و در 1=m/n تنها 6/4% تغيير در مود A0 و 13% تغيير در مود S0، در نزديكي فركانس قطع هر ساختار رخ مي¬دهد. استفاده از كد و نتايج حاصل از اين پژوهش، با تعيين بهينه شرايط انتشار موج لمب جهت بررسي خواص مكانيكي و وجود يا عدم وجود نقص/آسيب در كامپوزيت¬هاي چندلايه¬ي ناهمسانگرد، كمك كننده خواهد بود.

1401/04/20

Utilization of Lamb wave propagation to detect matrix cracking damage in anisotropic multilayer composites

3/7/2023 12:00:00 AM

According to the anisotropic nature of layered composites, the evolution of various occurred damage modes in different layers, and their viscoelastic behavior, detecting damage and/or material properties degradation becomes a challenge. In the present thesis, the use of ultrasonic guided Lamb waves, which have shown potential for detecting damage in complex composite specimens as part of a structural health monitoring system, has been investigated. Damage in a structure can be detected by analyzing the difference between the dispersion characteristics of Lamb waves on damaged versus un-damaged specimens. For this purpose, a code was developed in the MATLAB software environment. The propagation characteristics of Lamb waves are described in the form of dispersion curves, generated by solving the Lamb wave equations implementing the Global Matrix Method through the mentioned program. Furthermore, the Hashin theory, the classical lamination theory (CLT), and the inverse CLT are used for specific purposes of the damage detection process. The results of the analysis of these Lamb waves through the developed program were firstly validated by comparing the available experimental outcomes. Afterward, by examining the influences of different percentages of the applied crack density in the cross-ply composites with different values of m and n parameters, diverse mechanical properties, and various thicknesses, has been shown that Lamb wave propagation is sensitive to even the slightest difference in the characteristic of the material. It has also been observed that the greater the number of off-axis layers, the better and faster the transmission of damage information. In addition, fundamental symmetric Lamb wave S0 mode indicates the difference in the material behavior much more clearly and faster than mode A0, which is the fundamental antisymmetric mode, and also for a similar percentage of damage, rather differences in the phase velocity of S0 mode is observed. For instance, in a constant composite thickness, by inducing 10% crack density, while the m/n=1/3, 9.6% difference has been seen in the phase velocity of mode A0, but 27% conversion in the phase velocity of the mode S0, besides, while the m/n=1, 4.6% change is observed in the phase velocity of mode A0, but 13% variation in the phase velocity of the mode S0, occurs near the cut-off frequency of each composite specimen. The employment of code and the results of this study will be helpful in determining the optimal Lamb wave emission conditions to investigate the mechanical material properties and the presence or absence of defects/damage in the anisotropic multilayer composites.

كامپوزيتهاي چندلايهي ناهمسانگرد , تشخيص آسيب , انتشار امواج لمب , تئوري كلاسيك چندلايه , نرم افزار متلب

Anisotropic multilayered composites , damage detection , Lamb wave dispersion , classical lamination theory , MATLAB software

Parisa Haghi

Prof. M. M. Shokrieh and Dr. S. Kazemirad