dc.contributor.author | Lasn, Kaspar | |
dc.date.accessioned | 2015-06-11T10:48:45Z | |
dc.date.available | 2015-06-11T10:48:45Z | |
dc.date.issued | 2015 | |
dc.identifier.isbn | 978-82-326-0978-9 | |
dc.identifier.isbn | 978-82-326-0979-6 | |
dc.identifier.issn | 1503-8181 | |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11250/284909 | |
dc.description.abstract | The elastic constants of laminated composites are required for modelling of structures or
components made from these materials. The variability in manufacturing can result in
different composite material properties than intended. Therefore, reliable properties are
typically not just estimated, or known from experience, but measured directly from
representative physical specimens. Today, the elastic characterization is still conducted by
employing numerous quasi-static test methods, which require various test specimens and test
set-ups, due to the inherent anisotropy of the material. Meanwhile, decades of research and
development with advances in sensor technology and computing power have resulted in
advanced characterization methods, e.g. based on vibration or Lamb wave propagation
measurements. Several elastic constants can be measured from a single test. Application of
these advanced methods makes composite elastic characterization both faster and cheaper.
This research has been conducted to compare how three independent methods can be applied
for the evaluation of stiffness and damage of laminar composites. In the central part, the
elastic constants of composite laminates are measured by quasi-static, natural frequency and
Lamb wave propagation based methods. Then, the results from individual test methods are
compared. The comparison yields good agreement for virgin laminates, but shows some
discrepancies for laminates with fatigue damage.
Both static and vibration measurements of cross plied laminates provide the investigator with
effective tensile or flexural stiffnesses of laminates. However, the basic building block to be
characterized is a ply. Literature is scarce about systematic methods for the back-calculation
of ply moduli from laminate stiffnesses. As a part of this work, a systematic approach was
developed for the back-calculation of ply moduli for symmetric cross plied laminates. Both,
the mean values and the coefficients of variation of moduli are evaluated, as shown by
calculated examples. The input data for these calculations was obtained from quasi-static
experiments. | nb_NO |
dc.description.abstract | Sisukokkuvõte:
Komposiitlaminaatide elastsusomaduste mõõtmine on vajalik, et modelleerida neist
valmistatud konstruktsioonide või komponentide füüsikalist käitumist. Komposiitmaterjali
valmistamiseks võib kasutada erinevaid tehnoloogiaid (näiteks vaakumlamineerimine,
filamentmähkimine vms.) ja erinevaid kiud-vaik materjalisüsteeme. Arvestades, et materjal ja
komponent valmivad komposiitmaterjali tahkenedes ühekorraga, tekkib erinevates oludes
valmistatud materjalil mehaaniliste omaduste suhteliselt suur ebamäärasus.
Komposiitmaterjali omadusi saab usaldusväärselt määrata üksnes neid otse katsekehadelt
mõõtes. Komposiitide anisotroopse olemuse tõttu kasutatakse nende elastsus- ja
tugevusomaduste määramiseks mitmeid purustavaid katsemeetodeid, rakendades selleks
erineva kujuga katsekehi ning koormamisviise. Samas, viimaste aastakümnete jooksul
toimunud kiire areng, muuhulgas mõõtesensorite ja arvutusvõimsuse kättesaadavuses,
võimaldab materjali jäikusomaduste mõõtmiseks rakendada uudseid meetodeid. Sellised
mõõtemeetodid on tavaliselt kaudsed, põhinedes näiteks materjali omavõnkesageduste või
Lamb’i laine levimise mõõtmisel. Ühe mõõtmisega saab korraga mitmeid materjali
elastsuskonstante määrata. Uute mõõtemeetodite rakendamine muudab komposiitmaterjalide
omaduste määramise kiiremaks ja odavamaks.
Käesolev uurimistöö teostati, et võrrelda kolme sõltumatu mõõtemeetodi rakendamisel leitud
materjali jäikusomadusi. Mõõdeti nii väsimuskahjustustega kui ka ilma kahjustusteta
komposiitlaminaate. Töö põhiosas kirjeldatakse elastsuskonstantide mõõtmist, kasutades
selleks tavapärasel kvaasi-staatikal, madalatel omavõnkesagedustel ning ultrahelina leviva
Lamb’i laine faasikiirustel põhinevaid mõõtmisviise. Töö lõpuosas võrreldakse tulemusi, mis
on saadud kolme eelnimetatud meetodi eksperimentaalsel rakendamisel samale materjalile.
Selgub, et sõltumatutel viisidel leitud elastsusomadused langevad hästi kokku, kui mõõta ilma
kahjustusteta komposiite. Väsimuskahjustustega materjali mõõtmisel erinevad mõned eri
viisidel leitud elastsusomadused juba oluliselt.
Kui ristkiulise laminaadi elastsusomadusi määratakse kvaasi-staatikal (tõmbekatse,
paindekatse) või omavõnkesagedustel põhineva mõõtmisega, siis eksperimentaalseks
tulemuseks on nn. efektiivne ehk keskmistatud laminaadi tõmbe- või paindejäikus. Samas, see
laminaadi aluselement, mida mõõta soovitakse ja mis on modelleerimiseks huvipakkuv, on
laminaadi üks ühesuunaline kiht. Kirjanduses on ebapiisavalt käsitletud teemaderingi, mis
puudutab ühe kihi jäikuse tagasiarvutamist laminaadi jäikusest. Käesoleva uurimistöö
esimeses peatükis pakutakse välja viisid, kuidas ühe kihi elastsusmooduleid saab tagasi
arvutada sümmeetriliste laminaatide piki- ja paindejäikustest. Lisaks ühesuunalise kihi
elastsusmoodulite keskväärtustele on ristkiulise laminaadi puhul võimalik hinnata ka nende
variatsioonikordajaid. Eksperimentidel põhinevatest näidisarvutustest leitud tulemused on
oodatavas suurusjärgus. | |
dc.description.abstract | Sammendrag:
De elastiske konstantene til komposittlaminat er nødvendig for modellering av strukturer og
komponenter hvor slike laminater inngår. Variasjoner i produksjon kan føre til egenskaper
som avviker fra forventede egenskaper og pålitelige data må finnes ved direkte fysisk testing
av representative prøver. Karakterisering av elastiske egenskaper foregår vanligvis ved ulike
tradisjonelle kvasi-statiske metoder som for slike anisotrope strukturer vil kreve et større
antall prøver og lasttilfeller. I den senere tiden har utviklingen av metoder, sensorteknologi og
datakraft resultert i avanserte karakteriseringsmetoder som for eksempel teknikker basert på
vibrasjon eller Lamb-bølge forplantning. Ved å anvende slike metoder kan flere elastiske
konstanter måles fra en enkelt prøve, noe som gir både tidsbesparelse og kostnadsreduksjon
ved testing og karakterisering av kompositter.
Hovedformålet med avhandlingen var å sammenligne hvordan tre uavhengige metoder kan
anvendes for å evaluere stivhet og skade i komposittlaminat. Elastiske konstanter for
komposittlaminat er oppnådd med kvasi-statiske metoder, egenfrekvensanalyse og Lambbølgeforplantning,
og resultatene fra disse metodene er sammenlignet. Det er funnet godt
samsvar for laminater uten skade mens det for laminater med utmattingsskade ble observert
avvikende resultater.
Statiske målinger og vibrasjonsmålinger av [0/90] laminat gir prinsipielt kun effektive
elastiske egenskaper, mens det ofte vil være egenskaper til enkel-lag som er av interesse.
Litteraturen gir lite informasjon om systematiske metoder for å regne tilbake, fra laminat til
enkelt lag. Dette arbeidet har i vesentlig grad derfor lagt vekt på å utvikle en systematisk
tilnærming til denne problemstillingen for symmetriske [0/90] laminat. Eksempler basert på
eksperimenter viser at både gjennomsnittsverdi og variasjonskoeffisient kan evalueres. | |
dc.language.iso | eng | nb_NO |
dc.publisher | NTNU | nb_NO |
dc.relation.ispartofseries | Doctoral thesis at NTNU;2015:161 | |
dc.title | EVALUATION OF STIFFNESS AND DAMAGE OF LAMINAR COMPOSITES | nb_NO |
dc.type | Doctoral thesis | nb_NO |
dc.subject.nsi | VDP::Technology: 500::Mechanical engineering: 570::Machine construction and engineering technology: 571 | nb_NO |