Inspection of local progressive damage development from bearing stress in GFRP laminate using optical fiber sensors

Abstract

Denne avhandlingen undersøker om det er mulig å nøyaktig overvåke tretthetsskader i kontaktområdet mellom en metallbolt og GFRP-laminatet den går gjennom, ved hjelp av innebygde optiske fibersensorer. Tøyningstilstanden ved kontaktpunkter, slik som mellom en bolt og et klaringshull, er kompleks. Derfor kan modellering av komponentens levetid være unøyaktig. Det er derfor nyttig å ha en metode for direkte måling av skade fra lagerlast. For dette formålet ble en GFRP-laminatprøve laget ved resininnsprøytning innebygd med to rette optiske fibre. Tre halvsirkler av varierende størrelse som fungerte som bolthull ble kuttet i kanten av prøven, med bunnen av halvsirklene kun noen få millimeter fra de optiske fibrene. De ble utsatt for syklisk komprimerende lagerlast fra bolter av lignende størrelse for å skape monoton skade fra tretthetsbelastning. Målinger av resttøyning fra 10 og 6 mm bolthull ga inkonklusive resultater. Interessant nok målte begge fibrene negativ resttøyning under 8 mm bolthullet. Resttøyningen var sentrert rundt kontaktpunktet mellom bolt og bolthull og økte monotont med antall belastningssykluser den ble utsatt for. Til tross for at de to optiske fibrene var henholdsvis 3,8 mm og 6,9 mm under kontaktpunktet, var de målte resttøyningene påfallende like, noe som indikerer at mekanismen som forårsaker resttøyning ikke varierer mye innenfor dette området. Tøyningsverdier beregnet fra en analytisk modell ble sammenlignet med residualtøyningsmålinger fra optiske fibre.

This thesis examines whether it is possible to accurately monitor fatigue damage in the contact area between a metal bolt and the GFRP laminate it goes through, by means of embedded optical fiber sensors. The strain state at points of contact such as that between a bolt and the clearance hole is complex. Therefore, modeling component lifetime can be inaccurate. For this reason, it is useful to have a method for directly measuring the bearing damage. For this purpose, a GFRP laminate specimen made by resin infusion was embedded with two straight optical fibers. Three semi circles of varying size acting as bolt holes were cut into the edge of the specimen with the bottom of the half circles being only a few millimeters away from the optical fibers. They were subjected to cyclical compressive bearing load from bolts of similar size to create monotonic damage from fatigue loading. Residual strain measurements from the 10 and 6-mm bolt holes gave inconclusive results. Interestingly Both fibers measured negative strain below the 8 mm bolt hole. The residual strain was centered around the point of contact between bolt and bolt hole and increased monotonically with the number of loading cycles it was subjected to. Despite the two optical fibers being 3.8 mm and 6.9 mm below the point of contact respectively the measured strains were strikingly similar indicating that residual strain causing mechanism does not vary much within this region. Strain values calculated from an analytical model were compared to optical fiber residual strain measurements.