27786

كاربرد گسترش امواج هدايت‌شونده لمب و سنسور FBG در تشخيص آسيب ترك زمينه در كامپوزيت‌ها

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- طراحي كاربردي ـ طراحي و جامدات

1398

1401/7/30

محمودمهرداد شكريه - سياوش كاظمي راد

مهندسي مكانيك

به اين علت كه خرابي در كامپوزيت‌ها عموما به صورت غيرقابل رؤيت رخ مي‌دهد، بسياري از روش‌هاي بازرسي معمول براي شناسايي آسيب در آن‌ها غيركاربردي يا سخت به‌شمار مي‌آيند. استفاده از آزمون‌هاي غيرمخرب به روش گسترش امواج فراصوت هدايت‌شونده‌ي لمب در بين روش‌هاي گوناگون، به دليل كم هزينه بودن و امكان تكرارپذيري مي‌تواند انتخاب مناسبي باشد. با پردازش داده‌هاي استخراج‌شده از سنسورها و بررسي تغييرات در پارامترهاي مختلف امواج منتشرشده در نمونه‌هاي سالم و معيوب مي‌توان به وجود، مكان و شدت آسيب احتمالي پي برد. در كاربردهاي مختلف از سنسورهاي دريافت‌كننده‌ي سيگنال گوناگوني استفاده مي‌گردد. سنسورهاي توري براگ اليافي (FBG) به سبب مزايايي چون حساسيت و دقت بالا، زمان پاسخ‌دهي اندك، ابعاد كوچك و طول عمر زياد استفاده روزافزوني پيدا كرده‌اند. هدف اين پژوهش به‌كارگيري روش گسترش امواج لمب در كنار استفاده از سنسور FBG به‌منظور تشخيص آسيب ترك زمينه و بررسي تأثير آن بر خواص ماده در كامپوزيت‌هاي پايه پليمري مي‌باشد. نمونه‌هايي از چندلايه كامپوزيتي متعامد شيشه/اپوكسي با لايه‌چيني [02/906]s داراي ترك و بدون آن در نرم‌افزار آباكوس شبيه‌سازي شد. به‌علاوه موج هدايت‌شونده‌ي لمب پادمتقارن A0 در مدل اجزاء محدود (FEM) منتشر شده‌است. ميدان‌هاي كرنش استخراج‌شده از اين نمونه به‌عنوان ورودي نرم‌افزار FBG-SIMUL مي‌باشند. اين نرم‌افزار شبيه‌ساز سنسورهاي FBG است و از كد پايتون مبتني بر روش ماتريس انتقال اصلاح‌شده استفاده مي‌كند. پارامترهاي مرتبط با خواص سنسورهاي FBG و چگونگي چيدمان آن‌ها در نرم‌افزار FBG-SIMUL تعريف شد و نمودارهاي پاسخ زماني طيف بازتابي سنسورها بدست آمد. در اين نمودارها تغييرات پارامترهاي موجود در پاسخ زماني امواج منتشرشده مانند تغييرات طول موج براگ و عرض قله بازتابي مورد بررسي قرار گرفته و در نمونه‌هاي سالم و ترك‌دار مقايسه شد. در نمونه داراي ترك افزايش قابل توجهي در پارامترهاي مذكور نسبت به نمونه بدون ترك مشاهده مي‌شود. اين نتايج در فركانس‌هاي مختلف و نيز در چگالي ترك‌هاي گوناگون بدست آمد و مورد مقايسه واقع شد. نتايج نشان مي‌دهد كه تغييرات طول موج براگ و عرض قله بازتابي مي‌توانند پارامترهايي مؤثر براي تشخيص وجود ترك، مكان و شدت آن باشند و روش ارائه‌شده در تحقيق حاضر از دقت و حساسيت بالايي برخوردار مي‌باشد.

1401/11/04

The application of guided Lamb wave propagation and FBG sensors for detection of matrix cracking in composites

10/22/2023 12:00:00 AM

Due to the fact that failure in composites generally occurs invisibly, many common inspection methods to identify damage in those cases are considered impractical or difficult. Among various methods, the use of non-destructive tests by ultrasonic guided Lamb wave propagation method can be a suitable choice due to its low cost and repeatability. By processing the data extracted from the sensors and assessing the changes in the various parameters of the waves emitted in intact and damaged samples, it is possible to determine the existence, location and intensity of probable damage. Various signal receiving sensors are used in different applications. Fiber Bragg grating (FBG) sensors have been increasingly used because of their advantages such as high sensitivity and accuracy, short time response, small dimensions and long life-time. The purpose of this research is using the Lamb wave propagation method along with the use of FBG sensor in order to detect the matrix cracking damage and assess its effect on the material properties in polymeric composites. Specimens of glass/epoxy cross-ply laminates with [906/02]s layup involving cracks or without them were simulated in Abaqus software. In addition, the asymmetric guided Lamb wave A0 is emitted in the finite element model (FEM(. The strain fields extracted from this specimen are input to FBG-SIMUL software. This software is simulator of FBG sensors and uses Python code based on modified transfer matrix method. The parameters related to the properties of FBG sensors and their array configurations were defined in FBG-SIMUL software, and the time response diagrams were obtained from the reflected spectrum of the sensors. In these diagrams, the changes of the parameters in the time response of the emitted waves, such as the Bragg wavelength shift and the reflected peak width variation, were investigated and compared in intact and cracked specimens. A significant increase in the mentioned parameters is observed in the matrix cracked specimen, in comparison with the specimen without crack. These results were obtained and compared at several frequencies and also different crack densities. Results show that the wavelength shift and the Bragg peak width variation can be effective parameters for detecting the presence of a crack, its location and intensity, and the accuracy and sensitivity of this method is very high.

كامپوزيت , تشخيص آسيب ترك زمينه , امواج هدايت‌شونده‌ي لمب , سنسور FBG , پاسخ زماني توري براگ اليافي

composite , Matrix crack damage detection , Guided Lamb Wave , FBG sensor , Fiber Bragg grating time response

Fateme Asadi

Dr. Shokriye