< Terug naar vorige pagina

Project

Kwantitatief gebruik van de ultrasone Polar Scan: karakterisering van anisotrope visco-elasticiteit en schade in vaste stoffen.

De vooruitgang op het gebied van de materiaalkunde en techniek is altijd een belangrijke factor geweest bij elke vorm van vooruitgang in de industrie. Het streven naar nieuwe, lichtere en sterkere materialen heeft bijvoorbeeld bedrijven in staat gesteld om de zeer efficiënte vliegtuigen en auto’s te bouwen zoals we die vandaag de dag kennen. Een belangrijk aspect in deze ontwikkeling is het ontwikkelen en vervolgens het onderzoeken van composietmaterialen (en meerlaagse materialen), zoals koolstofvezelversterkte kunststoffen (CFRP). Composietmaterialen zijn tegenwoordig één van de meest gebruikte materialen in structurele componenten vanwege hun uitstekende sterkte/dichtheidsverhouding. Na de eerste introductie in de jaren ’60 en ’70 heeft het gebruik van CFRP materialen een exponentiële groei doorgemaakt in verscheidene toepassingsgebieden. Een keerzijde is echter dat composietmaterialen over het algemeen een enorm complex karakter hebben. Kenmerkend zijn hun materiaaleigenschappen die richting-gevoelig (anisotroop) en potentieel ook frequentiegevoelig (dynamisch) zijn. Dit maakt het bijzonder moeilijk om ofwel de materiaaleigenschappen te extraheren ofwel, wanneer deze in werking zijn, potentiële breuken in het materiaal te detecteren Als antwoord hierop zijn in de loop der jaren verschillende niet- destructieve testprocedures (NDT) op basis van ultrasoon geluid voorgesteld om het karakteriserings- en schade detectie probleem op te lossen. Echter, zoals zal worden aangetoond tijdens dit proefschrift, worden veel van deze conventionele karakteriseringstechnieken belemmerd door inherente beperkingen. Daarom zijn bedrijven op zoek naar nieuwe state-of-the-art karakteriseringsprocedures die de volledige set van materiaalparameters kunnen afleiden waarmee de mechanica en de dynamiek van deze materialen kunnen worden beschreven.

In dit doctoraatsonderzoek ontwikkelen en verbeteren we modulaire tools die een nieuwe op ultrasoon geluid gebaseerde NDO-methodologie voor materiaalkarakterisering mogelijk maken. We identificeren eerst de beperkingen die de huidige (traditionele) ultrasone karakteriseringstechnieken ervaren. Een goede kennis van deze beperkingen en hun oorsprong biedt de mogelijkheid om een nieuwe inversieprocedure op basis van de Ultrasone Polaire Scan (UPS) in te voeren. Hoewel het concept van de UPS-techniek al geruime tijd werd voorgesteld, is het pas in het laatste decennium weer opgedoken als een levensvatbaar middel om complexe visco-elastische materialen te karakteriseren. Als eerste bijdrage aan dit proefschrift wordt een op UPS gebaseerd tweetraps inversieschema met behulp van gepulseerde ingangssignalen geïntroduceerd en besproken, dat de eigenschappen heeft om de meeste beperkingen van de traditionele technieken op te lossen. Inversieresultaten, verkregen op zowel kunstmatige (numerieke) als experimentele UPS-datasets, bevestigen dat deze aanpak nauwkeurigere en robuustere waarden voor de materiaalparameters oplevert dan de conventionele technieken.

Aangezien het gebruik van gepulseerde signalen a priori kennis vereist over de frequentieafhankelijkheid van de materiaalparameters (die niet direct beschikbaar is), wordt een tweede benadering van het tweefasige UPS-invertie schema met behulp van monofrequente ingangssignalen voorgesteld en toegepast op zowel numerieke als experimentele gegevens. Voor het gebruik van harmonische signalen moet echter zorgvuldig rekening worden gehouden met de transducerkarakteristieken die tijdens de UPS-metingen worden gebruikt. Dit omdat hun eindige omvang de veronderstelling van propagerende vlakke golven ongeldig maakt. Aangezien dit probleem opgelost kan worden door middel van een ontbinding van het golfveld, zijn we ervan overtuigd dat in de toekomst een gefaseerde opstelling van de UPS moet worden overwogen. Preliminaire studies tonen alvast aan dat het mogelijk is om op deze manier vlakke golfkarakteristieken op te meten, zij het vele malen sneller.

Het derde en laatste deel van dit proefschrift gaat over het numerieke onderzoek van meerlagige composietmaterialen die bestaan uit lagen met een verschillend basismateriaal of een verschillende oriëntatie (cross-ply). Het eerste deel van dit onderzoek is gewijd aan het homogeniseren van een meerlaags materiaal tot een enkele materiaal laag. Binnen het frequentiebereik van het homogeniseringsconcept, dat door de theorie van de Floquet-golven kan worden geschat, wordt aangetoond dat de voorgestelde UPS-homogeniseringsprocedure vergelijkbare frequentie-afhankelijke materiaaleigenschappen heeft en het mogelijk maakt om de visco-elasticiteit in het gehomogeniseerde materiaal op te nemen. Hierdoor kunnen we besluiten dat de eerder geïntroduceerde inversieprocedure voor harmonische signalen veilig kan worden toegepast onder de limiet frequentie. Ten laatste wordt een methode voor de extractie van de éénlaagse karakteristieken binnen een vlakke meerlaagse structuur onderzocht en met succes getest op een numeriek gesimuleerde UPS-dataset van een cross-ply materiaal. Uiteindelijk worden de anisotrope laagparameters en de onderlinge oriëntatie en dikte van de lagen van het cross-ply materiaal bepaald.

Datum:1 sep 2015 →  5 feb 2020
Trefwoorden:Ultrasonic Polar Scan, anisotropic, visco-elasticity, damage, solids
Disciplines:Andere biologische wetenschappen, Andere natuurwetenschappen
Project type:PhD project