Detection of damage initiation in composite structures subjected to self-heating based on acoustic emission

• Autorzy: Wronkowicz A. , Katunin A.

Warianty tytułu

PL

Detekcja inicjacji uszkodzeń w strukturach kompozytowych poddanych samorozgrzaniu na podstawie emisji akustycznej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Structural integrity is one of the crucial properties of designed composite elements. However, during their operation they are subjected to various types of loading, and thus, subjected to degradation. Intensity of their degradation is driven by many factors with different degree of influence. One of such degradation mechanisms occurs during cyclic loading, when heat is released on the surface of a polymeric composite structures due to the mechanical energy dissipation, which has a great influence on degradation acceleration. The paper deals with determination of a criticality of the self-heating effect, i.e. temperature value at which damage initiation occurs during cyclic loading of composite structures. For this purpose, polymeric composite specimens were subjected to fatigue tests and resulting surface temperature and acoustic emission were measured and analyzed. The obtained results indicated that analysis of acoustic emission features enables returning information about the two critical moments of the degradation process. From a linear peak amplitude one can assess a critical moment between the two first phases of the three-phase degradation model, when propagation of micro-cracks and initiation of a macrocrack occurs. Analysis of the amplitude, together with the energy ratio and the total energy of hit-cascade, can also accurately indicate a moment of transition from the second to the third phase, when a macro-crack propagates rapidly, which finally results in a failure of the structure.

PL

Integralność strukturalna jest jedną z kluczowych właściwości projektowanych elementów kompozytowych. Jednak podczas eksploatacji są one narażone na różnego rodzaju obciążenia i dlatego ulegają degradacji. Intensywność ich degradacji jest uwarunkowana przez wiele czynników z różnym poziomem istotności. Jeden z takich mechanizmów degradacji występuje podczas obciążenia cyklicznego, gdy ciepło jest uwalniane na powierzchni polimerowej struktury kompozytowej ze względu na dyssypację energii mechanicznej, co ma istotny wpływ na przyspieszenie degradacji. W artykule omówiony został proces określenia krytyczności efektu samorozgrzania, tj. wartości temperatury przy której następuje inicjacja uszkodzeń w strukturach kompozytowych. W tym celu próbki wykonane z kompozytu polimerowego zostały poddane badaniom zmęczeniowym oraz ich wynikowa temperatura powierzchni oraz emisja akustyczna została zmierzona i przeanalizowana. Otrzymane wyniki wykazały, że cechy uzyskane w oparciu o emisję akustyczną pozwalają na pozyskanie informacji o dwóch krytycznych momentach procesu degradacji. Na podstawie liniowej amplitudy szczytowej można określić krytyczny moment pomiędzy dwiema pierwszymi fazami w trójfazowym modelu degradacji, gdy następuje propagacja mikropęknięć i inicjacja makropęknięcia. Analiza amplitudy razem z wartościami energii oraz całkowitą energią kaskady impulsów pozawala także dokładnie wskazać moment przejścia z drugiej do trzeciej fazy, gdzie makropęknięcie szybko propaguje, co ostatecznie doprowadza do zniszczenia struktury.

Słowa kluczowe

EN

self-heating effect; acoustic emission; composite structures; damage initiation

PL

efekt samorozgrzania; emisja akustyczna; struktury kompozytowe; inicjacja uszkodzeń

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej. Oddział Gliwice
• Czasopismo: Modelowanie Inżynierskie
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 33, nr 64
• Strony: 114--119
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz.

Twórcy

autor

Wronkowicz A.

• Institute of Fundamentals of Machinery Design, Silesian University of Technology

autor

Katunin A.

• Institute of Fundamentals of Machinery Design, Silesian University of Technology

Bibliografia

• 1. Deneshmehr A., Asa A., Abazary S.: A study on the failure mechanisms of composite laminates using acoustic emission monitoring. “International Journal of Current Engineering and Technology” 2012, Vol. 2, p. 409-412.
• 2. Kahirdeh A., Khonsari M.M.: Energy dissipation in the course of the fatigue degradation: Mathematical derivation and experimental quantification, “International Journal of Solids and Structures” 2015, Vol. 77, p. 74-85.
• 3. Katunin A., Fidali M.: Fatigue and thermal failure of polymeric composites subjected to cyclic loading. “Advanced Composites Letters” 2012, Vol. 21, p. 64-69.
• 4. Katunin A.: Critical self-heating temperature during fatigue of polymeric composites under cyclic loading. “Composites Theory and Practice” 2012, Vol. 12, p. 72-76.
• 5. Katunin A.: Thermal fatigue of polymeric composites under repeated loading. “Journal of Reinforced Plastics and Composites” 2012, Vol. 31, p. 1037-1044.
• 6. Kotsikos G., Evans J.T., Gibson A.G., Hale J.M.: Environmentally enhanced fatigue damage in glass fibre reinforced composites characterised by acoustic emission.“Composites Part A: Applied Science and Manufacturing” 2000, Vol. 31, p. 969-977.
• 7. Lang R.W., Manson J.A.: Crack tip heating in short-fibre composites under fatigue loading conditions. “Journal of Materials Science” 1987, Vol. 22, p. 3576-3580.
• 8. Naderi M., Kahirdeh A., Khonsari M.M.: Dissipated thermal energy and damage evolution of Glass/Epoxy using infrared thermography and acoustic emission. “Composites Part B: Engineering” 2012, Vol. 43, p. 1613-1620.
• 9. Naderi M., Khonsari M.M.: A thermodynamic approach to fatigue damage accumulation under variable loading. “Materials Science and Engineering A” 2010, Vol. 527, p. 6133-6139.
• 10. Nojavan S., Schesser D., Yang Q.D.: An in-situ fatigue-CZM for unified crack initiation and propagation in composites under cyclic loading. “Composite Structures” 2016, Vol. 146, p. 34-49.
• 11. Rittel D.: On the conversion of plastic work to heat during high strain rate deformation of glassy polymers. “Mechanics of Materials” 1999, Vol. 31, p. 131-139.
• 12. Unnthorsson R., Runarsson T.P., Jonsson M.T.: Acoustic emission based fatigue failure criterion for CFRP. “International Journal of Fatigue” 2008, Vol. 30, p. 11-20.
• 13. Wevers M.: Listening to the sound of materials: Acoustic emission for the analysis of material behavior. “NDT&E International” 1997, Vol. 30, p. 99-106.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).