Detection of Subtle Damage in Composite Pipes Using Eigenfrequency Analysis

Abstract

Bruken av egenfrekvensmetoder for å overvåke polymerkomposittstrukturer og teste deres utmattingsegenskaper ble undersøkt. Et polypropylenrør ble forsterket med glassfiber/epoxy [90, ±45, 90]-kompositt ved filamentvikling. En motor ble brukt for å eksitere bevegelse i røret, og strekklapper ble brukt til å registrere bevegelsen. En rekke modeller ble laget i ABAQUS for å undersøke ulike aspekter ved rørets oppførsel. Statiske spenningssimuleringer viser at den mest sannsynlige svikten er matrisesvikt i 90°-lagene på toppen eller bunnen av røret for vertikale midtpunktsforskyvninger over 71.9 mm. En dynamisk simulering undersøker spenningene til røret under overgangen fra en stasjonær motor til rotasjon raskere enn den første egenfrekvensen. Modellen forutsier lavere tøyninger enn eksperimentelle verdier, og støtter de statiske resultatene i at den mest kritiske skademodusen er matrisesvikt i 90°-lagene. Tretthetsskader ble analysert gjennom Miner-Palmgren-summen ved å bruke rainflow-metoden for å telle sykler basert på strekklappdata og S-N-kurven til en lignende struktur. Metoden forutsier ingen utmattelsesskade for det registrerte antallet sykler. Det fysiske røret viser heller ingen tegn til skade eller endring i egenfrekvens, som samsvarer godt med modellen. Til slutt ble røret statisk bøyd til en forskyvning som statiske ABAQUS-simuleringer indikerte ville forårsake matrisesprekker i 90°-lagene. Matrisesprekker ble observert, og ytterligere testing viste at denne skaden reduserte egenfrekvensen til røret med omtrent 0.1 Hz. Dette var betydelig mindre reduksjon enn forutsagt av en enkel modell med reduserte materialegenskaper i en ABAQUS-simulering.

The use of eigenfrequency methods to monitor polymer composite structures and test their fatigue properties has been investigated. A polypropylene pipe was reinforced with glass fibre/epoxy [90, ±45, 90] composite by filament winding. A motor was used to excite the movement of the pipe, and strain gauges were used to record it. A series of models were made in ABAQUS to investigate different aspects of the pipe’s behaviour. Static stress simulations show that the most likely failure mode is matrix failure in the 90° layers at the top or bottom of the pipe for vertical midpoint displacements above 71.9 mm. A dynamic simulation investigates the stresses of the pipe during the transition from a stationary motor to rotation above the first eigenfrequency. It predicts lower strains than the experimental values, and supports the static result that the most critical damage mode is matrix failure in the 90° layers. Fatigue damage was analysed through the Miner-Palmgren sum using rainflow cycle counting based on strain gauge data and the S-N curve of a similar structure. The method predicts no fatigue damage for the recorded cycles. The physical pipe shows no signs of damage or change in eigenfrequency, corresponding well with the model. Finally, the pipe was statically bent to a displacement that static ABAQUS simulations indicated would cause matrix cracking in the 90 degree layers. Matrix cracking was recorded, and further testing revealed that this damage reduced the eigenfrequency of the pipe by about 0.1 Hz. This was significantly less reduction than predicted by a simple model of reduced material properties in an ABAQUS simulation.