Title Razvoj metode in-situ mehaničkog ispitivanja vlaknima ojačanih polimera korištenjem računalne tomografije Title (english) Development of an in-situ mechanical testing method of fiber reinforced polymers using computed tomography Author Ante Bartulović137147663113760552120 Mentor Zvonimir Tomičević (mentor)Committee member Darko Ivančević (predsjednik povjerenstva)Committee member Zvonimir Tomičević (član povjerenstva)Committee member Lovre Krstulović-Opara (član povjerenstva)Granter University of Zagreb Defense date and country 2024-10-25, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 621 - Mechanical engineering. Nuclear technology. Machinery Abstract Unatoč rastućoj primjeni vlaknima ojačanih polimera (FRP) njihovo ponašanje pri različitim uvjetima opterećenja nije dovoljno istraženo. Zbog nedovoljnog poznavanja ponašanja vlaknima ojačanih polimera, često se propisuju visoki sigurnosni standardi pri dimenzioniranju konstrukcija. Pouzdana karakterizacija vlaknima ojačanih polimera otežana je budući da se oštećenje prvotno inicira u unutrašnjosti materijala, a zatim postupno propagira prema površini. Razvojem računalne tomografije (CT) omogućen je uvid u unutrašnjost promatranog materijala čime se otvara mogućnost sveobuhvatne identifikacije mehaničkog ponašanja. Spregom računalne tomografije i metode korelacije digitalnih volumena (DVC) u kombinaciji s in-situ mehaničkim ispitivanjima omogućena je trodimenzionalna kvantifikacija polja pomaka i pripadajućih deformacija. Primjena ove metodologije doprinosi novim spoznajama u znanosti o materijalima što u konačnici može dovesti do povećanja razumijevanja mehaničkog oštećenja. Naime, analizom inicijacije i propagacije oštećenja, u kombinaciji s promatranjem odgovarajuće lokalizacije deformacija i heterogene mikrostrukture ispitivanog materijala, pruža se uvid u kompleksno ponašanje vlaknima ojačanih polimera.
Pregledom relevantne znanstvene i stručne literature utvrđeno je kako nisu provedene studije koja se bave istraživanjem pouzdanosti mjerenja primjenom predložene metodologije kod analize ponašanja vlaknima ojačanih polimera. Iz tog su razloga unutar ovog doktorskog rada provedena eksperimentalna istraživanja s ciljem kvantificiranja standardnih mjernih nesigurnosti izmjerenih polja pomaka i pripadajućih polja deformacija za različite izvedbe vlaknima ojačanih polimera.
Primjenjujući globalni pristup DVC metode, u prvom su dijelu eksperimentalnog istraživanja definirane prihvatljive vrijednosti prostornih rezolucija pri mjerenju polja pomaka kod staklenim vlaknima ojačanih polimera definiranih različitom arhitekturom vlakana. Nadalje, pokazano je kako primjena mehaničke regularizacije može voditi povećanju pouzdanosti metode korelacije digitalnih volumena kroz smanjenje postignutih vrijednosti standardnih nesigurnosti. Drugi je dio eksperimentalnog istraživanja fokusiran na određivanje mjerne nesigurnosti predložene metodologije u ovisnosti o materijalu koji okružuje ispitni objekt prilikom skeniranja. Naime, simulirano je prisustvo cjevaste potpore, konstrukcijskog elementa koji se često koristi kod in-situ ispitnih uređaja. Ovaj element okružuje ispitni objekt i uzrokuje smanjenu kvalitetu trodimenzionalnih slika nastalih CT skeniranjem. U radu su kvantificirane standardne mjerne nesigurnosti pomaka i deformacija primijenjene DVC metode kada je ispitni uzorak izrađen od vlaknima ojačanih polimera okružen cijevima izrađenim od različitih materijala. Osim toga, istražen je utjecaj relaksacije naprezanja materijala cjevaste potpore kao i odziv ponašanja FRP ispitnih uzoraka ojačanih različitom arhitekturom vlakana kod konstantnog opterećenja pri čemu je cilj bio odrediti pouzdanost in-situ ispitnog uređaja. U završnom su dijelu rada kvantificirane standardne mjerne nesigurnosti metode korelacije digitalnih volumena na CT skenovima dobivenim primjenom različitih akvizicijskih parametara s ciljem omogućavanja pouzdanog skraćivanja vremena trajanja in-situ mehaničkog ispitivanja unutar CT skenera.
Rezultati eksperimentalnih istraživanja provedenih u okviru ovog doktorskog rada doprinose razvoju eksperimentalnog protokola i unaprjeđenju in-situ mehaničkog postava za sveobuhvatnu karakterizaciju polimera ojačanih vlaknima. Predložena metodologija je generička i može se primijeniti na druge heterogene materijale. Primjenom ove metodologije omogućeno je pouzdanije određivanje globalnog ponašanja materijala, analiza lokalizacijskih fenomena te identifikacija i kvantifikacija mehanizama oštećenja. Nadalje, ovaj pristup istraživanja omogućava optimizaciju konstrukcija izrađenih od heterogenih materijala u različitim industrijskim područjima, čime se povećava učinkovitost i sigurnost u primjeni takvih materijala.
Abstract (english) Despite the increasing use of Fiber Reinforced Polymers (FRPs), their behavior under various loading conditions is not sufficiently investigated. This often leads to the application of high safety standards in structural design. Reliable characterization of FRPs is challenging because damage initially occurs in the bulk of the material and then gradually propagates to the surface. The development of X-Ray Computed Tomography (XCT) has enabled insight into the internal structure of the observed material, enabling the comprehensive identification of mechanical damage. By combining XCT with Digital Volume Correlation (DVC) method and in-situ mechanical testing, three-dimensional quantification of displacement and corresponding strain fields is enabled. Furthermore, conducting the investigation with the proposed methodology contributes to new findings in material science, which can ultimately lead to a better understanding of mechanical damage. Specifically, the analysis of damage initiation and propagation, when coupled with the observation of the corresponding deformation localization in interaction with the heterogeneous microstructure of the observed material, provides insight into the complex behavior of FRPs.
A review of the relevant scientific and technical literature revealed a lack of studies investigating the reliability of measurements obtained using the proposed methodology for analyzing the behavior of FRPs. To address this gap, this doctoral research conducted experimental investigations aimed at quantifying the standard measurement uncertainties of displacement and associated strain fields for various FRP configurations. In the initial phase of the experimental study, acceptable values for spatial resolutions of displacement field measurements were determined using a global approach to Digital Volume Correlation (DVC) for glass Fiber Reinforced Polymers with differing fiber architectures. Furthermore, the application of mechanical regularization was shown to enhance the reliability of the DVC method by reducing the standard uncertainties achieved. The second part of experimental investigation focused on assessing the measurement uncertainties of the proposed methodology based on the material surrounding the test object during scanning. Specifically, the presence of a tube support, a structural element commonly used in in-situ testing devices, was simulated. This support surrounds the test object and contributes to reduced quality of the three-dimensional images obtained from CT scanning. In this work, the standard measurement uncertainties of displacement and strain fields are quantified using the DVC method when FRP test samples were encased in tubes made from various materials. Additionally, the impact of stress relaxation of the tube support and the response of FRP samples with different fiber architectures under constant loading were investigated to determine the reliability of the in-situ loading device. In the final part of the work, standard measurement uncertainties are evaluated on CT scans obtained with different acquisition parameters. The proposed investigation was conducted to facilitate reliable reduction of in-situ mechanical testing duration within the CT scanner.
The results of the experimental research conducted as part of this doctoral thesis contribute to the development of an experimental protocol and the enhancement of in-situ mechanical setup for comprehensive characterization of Fiber Reinforced Polymers. The proposed methodology is generic and can be applied to other heterogeneous materials. By employing this methodology, it becomes possible to more reliably determine the global behavior of materials, analyze localization phenomena, and identify and quantify damage mechanisms. Furthermore, this research approach enables the optimization of structures made from heterogeneous materials across various industrial fields, thereby increasing the efficiency and safety of such material applications.
Keywords
vlaknima ojačani polimeri
računalna tomografija
metoda korelacije digitalnih volumena
standardna mjerna nesigurnost
in-situ mehanička ispitivanja
Keywords (english)
fiber reinforced polymers
computed tomography
digital volume correlation
standard measurement uncertainty
in-situ mechanical testing
Language croatian URN:NBN urn:nbn:hr:235:070687 Study programme Title: Obtaining a doctorate of science outside of doctoral studies Type of resource Text File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2024-11-25 12:35:54
