CAP.11

CAPITOLUL 3

CAPITOLUL 11

METODE EXPERIMENTALE PENTRU ANALIZA STRII DE TENSIUNE

I DEFORMAIE A STRUCTURILOR DIN MATERIALE COMPOZITE

Metodele i tehnicile experimentale de investigare sunt utilizate att pentru obinerea unor informaii precise privind starea de tensiune i deformaie din materialele structurii, ct i pentru punerea n eviden a mecanismelor de cedare a structurilor.

n funcie de natura problemei studiate i de scopul urmrit, n practica experimental se opereaz cu o mare varietate de tehnici de investigaie i cu combinaii ale acestora, dintre care cele mai utilizate sunt:

- tensometria electro-rezistiv;

- metode fotoelastice;

- metode moir;

- metode termografice;

- metode radiografice;

- metode ultrasonice;

- metoda emisiei acustice.

Toate aceste tehnici i metode pot fi aplicate i pentru efectuarea unor determinri i analize pe structuri din materiale compozite, innd seama de anumite particulariti constitutive ale materialului structurii, legate de ortotropie, neomogenitate i rigiditate, care impun ajustri corespunztoare, att n ceea ce privete utilizarea metodei experimentale propriu-zise, ct i n interpretarea rezultatelor msurrilor.

n ultimii ani au aprut i s-au dezvoltat tehnici experimentale specifice materialelor compozite.

11.1 Metode experimentale clasice aplicate structurilor din materiale compozite stratificate armate cu fibre

11.1.1 Tensometria electro-rezistiv

Tensometria electro-rezistiv este una din cele mai utilizate tehnici experimentale, utilizat att pentru determinarea caracteristicilor elastice ale structurilor compozite, ct i pentru studiul comportrii acestora sub aciunea ncrcrilor exterioare. Pentru efectuarea unor cercetri experimentale pe structuri realizate din asemenea materiale, este necesar s se acorde o atenie deosebit alegerii tipului de traductoare, a adezivilor, lacurilor de protecie, precum i n ceea ce privete pregtirea suprafeelor. Traductoarele electro-rezistive (TER) folosite pentru msurarea deformaiilor specifice din structurile compozite se aleg avnd n vedere urmtoarele [1]:

- geometria structurii (piesei, epruvetei) i calitatea suprafeelor acesteia, deoarece deformaiile specifice pot prezenta importante variaii locale din cauza calitii suprafeei sau a neomogenitilor de material;

- coeficienii de dilatare i coeficienii de conductivitate termic ai materialului, deoarece coeficientul de dilatare la un material anizotrop depinde de direcia de msurare ct i de solicitrile mecanice i termice anterioare;

- durata ncercrii;

- condiiile de mediu;

- mrimea (ordinul de mrime) i gradientul deformaiilor specifice ce se vor msura;

- precizia, simplitatea i costul msurrii.

Cel mai frecvent se folosesc traductoare tensometrice avnd reeaua confecionat din constantan sau karma, materiale ce prezint o bun sensibilitate, stabilitate i rezisten la oboseal. Karma prezint o stabilitate mai bun la msurrile de lung durat. n acelai timp, este mai stabil termic dect constantanul dup depirea temperaturii de +65SYMBOL 176 \f "Symbol"C, intervalul de temperatur ntre care poate fi folosit fiind ntre -270SYMBOL 176 \f "Symbol" i +290SYMBOL 176 \f "Symbol"C. La alegerea materialului suportului nu se impun cerine deosebite.

Se recomand urmtoarele caracteristici ale traductoarelor rezistive [2], [3]:

- baza de msurare mai mare de 3 mm, dar nu foarte mare;

- rezistena electric a traductorului s fie mai mare de 350 SYMBOL 87 \f "Symbol";

- nivelul de excitare s fie mai mic dect 3 V.

Materialele compozite pot prezenta variaii locale mari ale deformaiilor specifice i dac baza de msurare a traductorului este mare, deformaia specific msurat nu va fi cea real, traductorul msurnd o valoare medie a deformaiilor.

Traductoarele rezistive scurte, avnd baza de msurare sub 3 mm prezint mai multe dezavantaje: stabilitate redus, elongaie maxim mai mic n raport cu cele de dimensiuni normale i pre de cost mare.

Figura 11.1

O caracteristic important a traductoarelor este densitatea de putere, mrime care arat cantitatea de cldur degajat de traductorul rezistiv. n funcie de mrimea densitii de putere pot aprea sau nu tensiuni locale ce uneori modific proprietile compozitului. Factorii de care depinde densitatea de putere sunt: dimensiunile reelei, rezistena traductorului (ct mai mare) i nivelul de excitare (ct mai mic). Pentru traductoarele rezistive utilizate la materiale compozite, nivelul acceptabil al densitii de putere este ntre 0,31 kw/m2 i 1,2 kw/m2.

Traductoarele rezistive simple (fig. 11.1), orientate pe o singur direcie, se folosesc mai rar n cazul materialelor compozite, deoarece direciile tensiunilor principale pot s nu coincid cu direciile deformaiilor specifice principale. Aceste traductoare se folosesc mai mult n apropierea suprafeelor exterioare.

Figura 11.2

Pentru analiza structurilor din materiale compozite armate cu fibre unidirecionale sau cu estur, cele mai folosite traductoare sunt rozetele cu dou direcii de msurare (tip L i tip V) (fig. 11.2) i cele cu trei direcii de msurare (rectangulare sau delta (() (fig.11.3).

Figura 11.3

Este aproape imposibil alegerea unor traductoare cu coeficientul de dilatare adaptat materialului structurii, deoarece, la materialele compozite, coeficientul de dilatare termic variaz cu direcia de msurare, configuraia laminatului, solicitrile mecanice i termice anterioare, coninutul de umiditate i calitatea materialului (eventuale fisuri, delaminri sau goluri din fabricaie). De aceea, la fel ca la materialele clasice, se recurge la folosirea unui traductor de compensare, lipit pe acelai material i care lucreaz n aceleai condiii termice, dar care nu este solicitat mecanic. Se ntmpin greuti la lipirea traductorului de compensare, care trebuie s aib aceeai orientare ca i traductorul activ. Compensarea se mai poate realiza i prin precalibrarea traductorului rezistiv, operaie care ine seama de deformaiile specifice ce pot s apar din cauza variaiei temperaturii.

S-a constatat c dac modulul de elasticitate este mai mic dect 7 GPa, traductorul tensometric poate produce o important rigidizare a compozitului investigat, de care trebuie s se in seama, altfel erorile pot fi foarte mari (de la -10% pn la +30% pentru matrice polimeric) [4].

Principalele erori de msurare ce pot s apar n timpul experimentelor efectuate cu metoda tensometriei electro-rezistive, erori specifice materialelor compozite, sunt urmtoarele:

- nealinierea mrcii tensometrice fa de direcia de solicitare, atunci cnd se utilizeaz traductori simpli;

- efectul sensibilitii transversale, care pentru materialele compozite, datorit anizotropiei acestora contribuie la o creterea semnificativ a erorilor (neluarea n considerare a efectului sensibilitii transversale, poate duce la erori de msurare de la 10% pn la 200%) [4];

- msuarea deformaiilor la suprafaa compozitului duce la erori suplimentare, deoarece n apropierea suprafeelor exterioare teoria clasic a laminatului nu mai este valabil i nici ipotezele ce stau la baza calculelor nu mai sunt acceptabile.

- lipirea imprecis a rozetelor tensometrice (n cazul n care unghiul dintre axa rozetei si direcia pe care se dorete determinarea deformaiilor specifice este cuprins ntre 0 i SYMBOL 177 \f "Symbol"4SYMBOL 176 \f "Symbol", erorile pot ajunge la 65%).

Msurrile tensometrice pe structuri din materiale compozite, urmresc n principal trei obiective:

- caracterizarea elastic a materialului (epruveta se proiecteaz astfel nct direcia deformaiei specifice principale s coincid cu direcia fibrei);

- determinarea tensiunilor din structuri compozite aflate n stare general de tensiune;

- msurarea deformaiilor specifice interne, la nivelul laminelor compozitelor, prin ncorporarea traductoarelor rezistive n structura materialului compozit.

Uneori, traductoarele rezistive nu pot fi folosite n cazul anumitor materiale compozite (materiale textile i materiale pe baz de cauciuc), deoarece traductorul rezistiv rigidizeaz foarte mult structura iar deformaiile specifice msurate sunt cu mult mai mici dect cele reale. Se recomand in acest caz, utilizarea unor traductoare pe baz de mercur, care i schimba rezistena electric n timpul solicitrii mecanice a compozitului [4].

Tensometria electro-rezistiv poate fi folosit, cu bune rezultate, n analiza strilor locale de tensiuni i deformaii din laminele exterioare ale materialelor compozite stratificate armate cu fibre.

Comportamentul mecanic al structurilor compozite poate fi estimat, aa cum s-a putut observa n capitolele anterioare, att prin calcul, pe modele matematice concepute n concordan cu configuraia structural a acestora, ct i experimental, prin numeroase ncercri. Printre ncercrile cele mai concludente folosite pentru caracterizarea mecanic i de rezisten a compozitelor stratificate armate cu fibre, se numr i ncercrile la solicitri biaxiale. Aceste ncercri se execut deocamdat ntr-un numr restrns de laboratoare, ntruct echipamentele folosite pentru realizarea lor, n regim static i la oboseal, cu solicitri n faz sau defazate pe cele dou direcii, sunt n general complicate i ca urmare scumpe [5].

n cele ce urmeaz, se prezint determinarea cu ajutorul tensometriei electro-rezistive a deformaiilor aprute n laminele exterioare ale unei epruvete solicitat la traciune biaxial.

Pentru realizarea unor asemenea ncercri se folosete o epruvet special, cruciform, prevzut cu ligament central, prezentat n figura 11.4 [6], [7], [8].

Error! No topic specified.Figura 11.4

In timpul ncercrilor (n special de oboseal), n zona central de racordare a ligamentului se produc o serie de deteriorri structurale (ruperi de matrice, fibre i delaminri), care favorizeaz amorsarea unor fisuri ce conduc la reducerea capacitii portante a epruvetei i la compromiterea ncercrilor. De aceea, se impune efectuarea unei analize detaliate i precise a strii de tensiuni i deformaii din jurul ligamentului, cele mai multe asemenea analize fiind realizate cu ajutorul tensometriei electro-rezistive.

Epruveta din figura 11.4, executat dintr-un stratificat armat cu fibre (sticl E i rin NESTRAPOL 450), alctuit din ase lamine dispuse simetric ([0/90/0])S, a fost solicitat la traciune echibiaxial.

Caracteristicile elastice ale laminelor sunt prezentate n tabelul 11.1.

Tabelul 11.1

El [MPa]Et [MPa]Glt [MPa](lt(tz

39000860038000,280,45

Incrcarea epruvetei s-a realizat n regim static, cu greuti, prin intermediul unui dispozitiv special, destinat ncercrilor la traciune biaxial [2], [6].

Starea de deformaie de la suprafaa epruvetei, n zona de racordare a ligamentului, a fost determinat experimental cu ase traductoare electro-rezistive (TER), cu baza de msurare de 3 mm.


In figura 11.5 se prezint schema de amplasare a traductoarelor n jurul racordrii.

Deformaiile n punctele de msurare au fost determinate experimental pentru apte trepte de ncrcare.

Determinrile experimentale au fost urmate de analiza numeric a epruvetei cruciforme.

Modelul de calcul a fost obinut prin discretizarea epruvetei cu elementul finit prezentat n & 8.1, precum i cu elementul finit LAMINATE din NASTRAN.

Avnd n vedere simetria geometric i de ncrcare, discretizarea s-a fcut numai pentru jumtate din structur (fig. 11.6), cu straturi de elemente finite de grosime egal cu cea a unei lamine din componena stratificatului, rezultnd un model cu 4290 noduri i 3240 elemente, pentru analiza cu programul propriu [2].

Figura 11.6

In figurile 11.7,...,11.12 se prezint comparativ, variaia deformaiei cu ncrcarea, n punctele n care au fost amplasate traductoarele, obinut prin calcul cu MEF (program propriu) i experimental, cu tehnica tensometriei electro-rezistive. Pentru comparaie, rezultatele calculului

(/(max (( - deplasare) i cele experimentale (/(max (( - deformaie specific) sunt prezentate adimensional [2], [8].

Din examinarea curbelor prezentate n figurile de mai sus se constat o bun concordan ntre rezultatele calculului numeric i determinrile experimentale, pentru majoritatea traductoarelor tensometrice utilizate. Erori mai mari, maxim 12%, se obin pentru traductoarele orientate la 45(, recomandndu-se folosirea unor rozete tensometrice n acele poziii.

Tehnica tensometriei electro-rezistive, poate fi folosit i pentru analize la nivelul laminelor compozitului, folosind pentru aceasta traductoare electrice rezistive nglobate.

In literatura de specialitate s-au iniiat numeroase studii i cercetri [2], [9], [10], [11], [12] axate pe abordarea micromecanic a compozitelor. n aceste studii s-a ncercat s se elucideze i mecanismul de cedare prin delaminare a compozitelor.

Efectuarea unei analize la nivelul laminelor compozitelor stratificate i armate cu fibre este foarte dificil dar i foarte util, ntruct n acest mod pot fi obinute informaii mai apropiate de realitate, legate de comportarea fiecrei lamine din componena stratificatului precum i a stratificatului n ansamblu.

Un exemplu n acest sens l reprezint studiul conlucrrii la ncovoiere a laminelor care intr n alctuirea unui compozit stratificat, armat cu fibre unidirecionale, continue. Aceast analiz poate fi efectuat experimental cu tehnica tensometriei electro-rezistive i este prezentat n cele ce urmeaz.

Determinrile experimentale s-au efectuat pe o grind dreapt, ncastrat la un capt i ncrcat cu sarcini concentrate la cellalt (fig. 11.13), realizat dintr-un material compozit stratificat, armat cu fibre unidirecionale (0(), avnd caracteristicile laminelor indicate n tabelul 11.2 [11]. Au fost folosite traductoare electro-rezistive (TER) cu baza de msurare 6 mm, constanta k = 2,97, tip LY 13, fixate cu adeziv Z 70.

Tabelul 11.2El [MPa]Et [MPa]Glt [MPa](lt(tz

1850037002000,260,37

Starea de tensiune de la suprafaa laminelor i din lamine s-a determinat pentru stratificate cu patru, ase, opt i zece lamine lipite, pentru cazul cnd un pachet de dou lamine sunt dezlipite i cnd toate laminele din stratificat sunt lipite.

Tensiunile din lamine au fost determinate cu traductoare ncorporate la interfaa dintre dou lamine. Grosimea traductorului utilizat a fost aproximativ egal cu cea a adezivului folosit pentru lipirea laminelor.


Structura investigat experimental a fost analizat i numeric folosind elementul finit prezentat n & 8.1, element care permite estimarea nivelului tensiunilor interlaminare.

n figura 11.14 este prezentat modelul de calcul al unei bare realizat dintr-un stratificat cu ase lamine. Aceasta a fost discretizat cu ase straturi de elemente finite, prin 40 elemente i 108 noduri pentru o lamin.


In tabelul 11.3 sunt prezentate cazurile pentru care au fost efectuate determinri experimentale i valorile tensiunilor rezultate n urma msurtorilor [2], [11].

Tabelul 11.3Caz nr.Nr. lam.Modul de alctuire a stratificatuluiSarcina aplicat P [N]Tensiunile determinate [MPa]Observaii

14Error! No topic specified.1(a=8,04

(b=0,26Un pachet de doua lamine dezlipit


(b=1,59Toate laminele lipite









710Error! No topic specified.2(c=2,18

(d=1,04

(a=1,22


810Error! No topic specified.2(c=1,72

(d=1,31

(a=0,87


In tabelul 11.4 sunt date comparativ valorile tensiunilor obinute prin calcul cu MEF i experimental cu TER, pentru trei tipuri de stratificate, corespunztoare stratificatelor cu ase, opt i zece lamine unidirecionale. Din examinarea rezultatelor prezentate n tabelele 11.3 i 11.4 se desprind o serie de aspecte legate att de comportarea laminelor din stratificat, ct i de estimarea tensiunilor din lamine prin calcul (cu MEF) i experimental (cu TER), cu metodologiile menionate. Astfel, prin lipirea tuturor laminelor stratificatului are loc o reducere substanial a tensiunilor determinate la suprafaa stratificatului i a tensiunilor normale din lamine, fa de cazul cnd un pachet de dou lamine este dezlipit.

Tabelul 11.4

Numrul laminei

Procedeul

folositTensiunea ( [MPa]

abcd

MEF3,121,91--

6TER3,162,05--

MEF1,891,39--

8TER1,941,52--

MEF0,750,491,371,13

10TER0,870,591,721,31

Rezultatele prezentate n tabelul 11.4 mai arat c, valorile tensiunilor determinate experimental sunt mai mari cu maxim 15 - 17% fa de cele rezultate din calcul, eroarea crescnd cu grosimea stratificatului. Printre sursele acestor diferene se numr discontinuitile create la interfaa dintre lamine, prin amplasarea TER.

Rezultatele obinute, conduc la obsevaia c, tehnica msurrii tensiunilor din lamine cu ajutorul traductoare tensometrice nglobate, pare s fie cea mai adecvat, dar i greu de aplicat.

11.1.2 Metode fotoelastice

Analiza fotoelastic a structurilor realizate din compozite stratificate armate cu fibre se face mult mai greu dect cea a materialelor izotrope. Pentru asemenea analize experimentale se folosete fotoelasticitatea anizotropic, aplicat pe modele sau direct pe structuri realizate din materiale polimerice transparente armate cu fibre de sticl, att matricea ct si fibrele avnd acelai indice de refracie. Compozitele transparente sunt considerate materiale omogene, dar anizotrope din punct de vedere elastic i optic.

Asemenea modele se folosesc i pentru a simula anizotropia compozitelor opace armate cu fibre (bor - epoxy, grafit - epoxy etc).

Modelele bidimensionale se folosesc pentru determinarea distribuiei tensiunilor n jurul fibrelor, n planele seciunilor transversale i longitudinale. Aceste modele sunt folosite i n fotoelasticitatea dinamic, n vederea studierii mecanismelor ruperii i a propagrii fisurii la scar micromecanic.

Modelele tridimensionale sunt analizate folosind tehnica "ngherii" tensiunilor.

Legea optic n cazul strii plane de tensiuni, pentru un material ortotrop cu izotropie transversal, cum este cazul compozitelor stratificate armate cu fibre, se scrie astfel [1], [13], [14]:

(11.1)

n care N11, N22 i N12 sunt componentele tensorului birefringenei, B11 , B12 , B22 i B66 sunt componente ale tensorului ordinului de band.

Notnd cu N birefringena relativ pe unitatea de grosime, legea optic a tensiunii are urmtoarea form [1]:

(11.2)

unde f1, f2, f12 sunt valorile principale ale ordinului de band al materialului, raportate la axele principale ale compozitului.

Cunoscnd deformaiile specifice se pot calcula tensiunile, pe baza relaiilor dintre tensiuni i deformaii.

Pentru unele determinri pe structuri din materiale compozite, n practic se folosete tehnica fotoelasticitii prin reflexie. n acest caz, pe suprafaa structurii care urmeaz a fi investigat se fixeaz o folie fotoelastic prin intermediul unui adeziv reflectorizant. Cu ajutorul unui polariscop cu reflexie, suprafaa respectiv este examinat, determinndu-se diferena tensiunilor principale n fiecare punct. Folosind un dispozitiv special de compensare se poate determina n fiecare punct de pe suprafaa structurii valoarea fracionar N a ordinului de band.

Cunoscnd constanta fotoelastic de deformaie optic fi grosimea h a foliei fotoelastice, diferena tensiunilor principale ntr-un punct de pe suprafaa structurii se determin cu expresia [3]:

(11.3)

n care E1, E2, (12, (21 sunt constantele elastice ale materialului compozit pe direcia fibrelor, respectiv pe o direcie perpendicular pe aceasta, coninut n planul laminei.

Cu ajutorul acestei tehnici se pot pune n eviden zonele puternic solicitate de la suprafaa structurii i n anumite situaii pot fi localizate anumite deteriorri interne (delaminri, ruperi de fibre).

Utilizarea fotoelasticitii n cazul structurilor compozite subiri prezint dezavantajul c produce o rigidizare suplimentar la suprafaa acestora. n vederea obinerii unor rezultate ct mai apropiate de realitate, este necesar ca efectul local de ntrire produs de folie i adeziv s fie corectat. Acest lucru se face cu ajutorul unor diagrame de corecie, n funcie de grosimea foliei i a stratului de adeziv.

Cnd apar gradieni mari de tensiune ntre fibre i matrice sau cnd n modelele investigate apar stri tridimensionale de tensiuni, fotoelasticitatea tradiional nu mai d rezultate bune, datorit micorrii sensibilitii (fotoelasticitatea tradiional consider c unda luminoas ce traverseaz modelul rmne rectilinie, dar n realitate ea se curbeaz). Se poate folosi n asemenea situaii fotoelasticitatea isodin plan, n cazul bidimensional i fotoelasticitatea gradient, n cazul tridimensional [15], [16].

Metodele fotoelastice sunt folosite din ce n ce mai puin datorit dificultilor ntmpinate la modelare, mai ales n cazul compozitelor opace.

Fotoelasticitatea reprezint totui, una dintre cele mai potrivite metode experimentale pentru investigarea compozitelor de tip sandwich [17].

11.1.3 Metode moir

Metodele moir ofer posibilitatea determinrii i distribuiei deformaiilor specifice ale punctelor aflate pe suprafaa structurilor realizate din materiale compozite stratificate armate cu fibre, folosind pentru aceasta relaii geometrice, fr utilizarea unor fenomene fizice intermediare, ca n cazul multor metode clasice de analiz experimental.

Prin suprapunerea a dou reele de linii paralele se obine o serie de franje, numite moir.

a) Moir geometric

Un moir geometric const din dou reele: reeaua obiect, care se aplic epruvetei sau structurii ce se analizeaz i reeaua de referin, avnd aceeai densitate a liniilor ca i prima [1], [2], [14].

Reelele sunt formate din linii paralele, echidistante, de grosime egal cu distana dintre ele, trasate pe o direcie sau pe dou direcii perpendiculare, avnd densitatea maxim de 400 linii/cm.

Msurarea deplasrilor n plan se face astfel:

- pe suprafaa plan i neted a compozitului, se lipete cu emulsia n exterior, un film pe care exist reeaua obiect (reeaua poate fi fotogravat i direct pe suprafaa piesei);

- reeaua de referin aflat tot pe un film se suprapune cu emulsia de pe reeaua obiect, astfel nct cele dou reele s fie paralele fr a produce franje de interferen;

- se ncarc structura i se numeroteaz franjele obinute;

- se calculeaz deplasarea ntr-un punct al structurii, prin efectuarea produsului dintre pasul reelei i ordinul franjei n acel punct (deplasrile pe direciile orizontal i vertical se calculeaz independent);

Deformaiile specifice se obin prin derivarea grafic a deplasrilor.

Metoda nu are o sensibilitate prea mare n cazul materialelor compozite.

b) Moir prin proiecie

Aceast metod utilizeaz o singur reea i permite determinarea unor deplasri normale la suprafaa structurii, procedndu-se astfel [1]:

- suprafaa corpului care se analizeaz, este acoperit cu vopsea mat, astfel nct proiecia reelei (umbra ei) s aib contrast maxim;

- se ilumineaz reeaua de la distan, astfel nct umbra fiecrei linii s fie ct mai ngust;

- se calculeaz deplasrile punctelor de la suprafaa structurii pe o direcie normal la suprafa, innd seam de faptul c dimensiunile franjelor de interferen sunt proporionale cu distana de la reea la suprafaa corpului.

c) Moir prin reflexie

Permite determinarea rotirilor i a curburilor unei suprafee cu ajutorul unei singure reele, procednd ca mai jos [1]:

- se acoper suprafaa compozitului cu un lac reflectorizant;

- se plaseaz reeaua n faa structurii i se fotografiaz imaginea reflectat, obinnd astfel imaginea de referin;

- dup ncrcarea structurii, fotografiind din nou imaginea reflectat i suprapunnd-o peste prima, se obin franjele de interferen;

- dimensiunile franjelor sunt proporionale cu rotirea suprafeei compozitului n plane perpendiculare pe liniile reelei;

- se rotete reeaua cu 90SYMBOL 176 \f "Symbol" i se repet procedeul, obinndu-se un nou set de rotiri, care mpreun cu primele permit determinarea tuturor curburilor.

d) Interferometria moir

Este utilizat att n studiul micromecanic, ct i n cel macromecanic al materialelor compozite, metoda permind determinarea deformaiilor specifice normale i tangeniale n zone cu gradient ridicat al tensiunilor [2], [3].

Interferometria moir obine franjele prin interferena optic a unor fascicule laser. Un fascicol paralel de lumin laser produce prin interferen o succesiune de linii luminoase (interferen constructiv) i ntunecate (interferen distructiv), formnd reeaua de referin virtual.

Procedeul se desfoar astfel:

- pe epruveta sau obiectul de studiat se traseaz reeaua obiect cu linii perpendiculare pe dou direcii;

- se regleaz nainte de ncrcare ntregul sistem optic, astfel nct cmpul franjelor s fie nul;

- dup ncrcare, franjele, prin ordinul lor, dau deplasarea n plan, ntr-un anumit punct.

Metoda are o bun sensibilitate i un foarte bun contrast al franjelor. Prin utilizarea unui sistem video de nregistrare a imaginilor, printr-o analiz automat i prin stocarea datelor n memoria unui calculator, analiza datelor experimentale este adus la performane ridicate.

Metoda conduce la bune rezultate n studiul materialelor compozite, dar echiparea corespunztoare a unui laborator este costisitoare.

Un domeniu important n care se folosesc metodele moir este cel al determinrii caracteristicilor elastice ale unui material compozit.

Pentru determinarea modulului de forfecare Glt al unui compozit unidirecional, grafit-epoxy sunt necesare teste de forfecare[18].

Testele de forfecare pot fi realizate prin:

a) solicitarea epruvetelor sub un unghi de 10SYMBOL 176 \f "Symbol" n afara axelor;

b) ncercarea epruvetelor sub SYMBOL 177 \f "Symbol"45SYMBOL 176 \f "Symbol";

c) testarea cu ajutorul epruvetei Iosipescu.

Pentru msurarea deformaiilor punctelor situate pe suprafaa epruvetelor se folosesc dou metode experimentale: tensometria electro-rezistiv i metodele moir. De obicei, sunt lipite traductoare tensometrice pe una din fee i reele moir pe faa opus celei cu mrci tensometrice.

Se folosete frecvent moir-ul interferometric.

Pentru obinerea cu ajutorul metodei moir a deplasrilor u i v ale unui punct oarecare de pe suprafaa epruvetei solicitate, se folosesc reele avnd linii perpendiculare pe dou direcii (1200 linii/mm), trasate pe o lungime de aproximativ 30 mm.

Sensibilitatea f a metodei este n funcie de frecvena reelei, de lungimea de und SYMBOL 108 \f "Symbol" a luminii i de aranjamentul optic, potrivit relaiei [18]:

(11.4)

unde SYMBOL 97 \f "Symbol" este unghiul dintre fasciculul incident i fasciculul de ordinul nti difractat.

Interferena a dou fascicule de lumin coerente, difractate la suprafaa epruvetei, produce franje moir, corespunztoare celor dou deplasri u i v.

Cu ajutorul numerelor de ordine Nx i Ny ale franjelor aprute se pot determina deplasrile unui punct oarecare de pe suprafaa epruvetei [18]:

i

(11.5)

Deformaiile specifice se calculeaz cu relaiile [18]:

(11.6)

n figura 11.15, a, b, c se poate vedea aezarea pe epruvete a traductoarelor tensometrice i a reelelor moir, pentru cele trei tipuri de teste de forfecare.

Epruveta Iosipescu a fost realizat n dou variante:

- cu fibre orientate la 0SYMBOL 176 \f "Symbol" fa de direcia de solicitare;

- cu fibre orientate la 90SYMBOL 176 \f "Symbol" fa de direcia de solicitare.

Pentru culegerea i prelucrarea rezultatelor furnizate de traductoarele tensometrice, se folosesc centrale de achiziii de date.

Dup prelucrarea rezultatelor se traseaz dependenele SYMBOL 116 \f "Symbol" - SYMBOL 103 \f "Symbol" pentru toate testele efectuate (fig. 11.16), cu ajutorul acestora determinndu-se apoi, modulul de forfecare Glt.

Figura 11.15

Figura 11.16

11.1.4 Metode termografice

Termografia este o metod experimental folosit pentru localizarea i studierea deteriorrilor ce pot s apar n interiorul unui material compozit. Ea const n determinarea liniilor izoterme de pe suprafaa materialului.

Metoda se bazeaz pe principiul vizualizrii emisiei de cldur, fiind utilizate dou procedee: activ i pasiv [1], [2], [3], [14].

Procedeul activ const n degajarea cldurii din interiorul corpului n urma unei ncrcri ciclice, cantitatea de cldur degajat depinznd de mrimea ncrcrii, de valorile modulelor de elasticitate ale materialului compozit, dar i de frecvena de solicitare.

Concentrarea tensiunilor n jurul deteriorrilor produce o intensificare a cldurii emise de acea zon. Astfel, ruperea fibrelor, una dintre principalele deteriorri ale compozitelor armate cu fibre, genereaz local cldur n timpul testrii active.

n procedeul pasiv, corpul este nclzit de la o surs exterioar i este vizualizat conducia cldurii, aceasta fiind influenat de discontinuitile geometrice i de cele de material. Delaminrile duc la o conducie neuniform a cldurii n timpul testrii pasive [19], [20].

Pentru procesarea termic a imaginii se folosesc dou metode:

- metoda chimic;

- metoda electronic.

Metoda chimic utilizeaz cristale lichide care sunt foarte sensibile cu temperatura i au proprietatea de dispersa radiaia vizibil.

Metoda electronic folosete un detector n infrarou.

Principiul de msurare se bazeaz pe efectul termoplastic, care permite stabilirea unei relaii ntre tensiunile principale i temperatur. Distribuia de temperatur rezultat este detectat prin monitorizarea radiaiei infraroii emise de pe suprafaa epruvetei, cu ajutorul unei camere video-termografice, n timp real.

Regiunile care au delaminri apropiate de suprafa sunt uor de detectat prin intermediul unor gradieni de temperatur prestabilii, fa de care se raporteaz emisia de cldur din acele zone.

Metoda a fost aplicat la compozite cu matrice polimeric, dar i la cele cu matrice metalic, detectnd foarte bine delaminrile [21].

Energia termic emis de un material compozit depinde de proprietile suprafeei sale, de temperatura sa i de emisivitatea sa termic. Emisivitatea depinde la rndul ei de mai muli factori: temperatura, starea fizic, finisarea suprafeei, straturile moleculare de suprafa i se determin experimental, pentru fiecare material compozit.

La materialele compozite pot aprea frecvent variaii ale emisivitii suprafeei acestora, datorit anizotropiei lor, ct i fenomene de reflexie ce perturb analiza termografic a structurii realizate din asemenea materiale. De aceea, la aceste materiale se procedeaz la vopsirea suprafeei de studiat cu un strat uniform de culoare neagr.

Detecia radiaiei infraroii prin video-termografie se realizeaz cu ajutorul detectoarelor n infrarou.

Termografia n timp real cere ca ntregul cmp de studiat s fie scanat foarte rapid, astfel nct temperatura fiecrui punct s poat fi msurat i afiat. O scanare foarte rapid se poate realiza cu ajutorul unui sistem de oglinzi care se nvrtesc cu vitez foarte mare. Radiaia infraroie emis de materialul compozit este reflectat de oglinzi ctre materialul semiconductor al detectorului n infrarou i odat cu rotirea oglinzilor apare un desen complet al suprafeei analizate.

Rspunsul detectorului termografic la radiaia infraroie este afiat pe monitoare la intervale foarte scurte.

Metodele termografice sunt corelate cel mai des cu tensometria rezistiv.

n ultimii ani se folosete din ce n ce mai mult vibrotermografia. Aceasta este o metod ce combin excitaiile mecanice, vibratorii, cu vizualizarea termic n timp real i este folosit tot pentru a detecta defectele din materiale compozite.

Metodele termografice prezint avantajul unor msurri pe structuri reale, fr contact direct cu structura i permit obinerea unor informaii referitoare la o zon larg din structur.

Metodele termografice au urmtoarele avantaje:

- msurarea se face pe structura real, fr contact direct, obinndu-se nivelul tensiunilor ntr-o zon larg din structur;

- sensibilitate ridicat;

- msurrile se pot efectua la temperaturi nalte i n regim dinamic.

Ca dezavantaje, se pot meniona:

- este necesar o calibrare a materialului;

- se obine numai suma tensiunilor principale;

- sistemul este relativ scump.

Metoda este corelat cel mai des cu tensometria rezistiv.

O alt metod ce analizeaz emisia de cldur produs de o excitaie vibratorie este vibrotermografia [22]. Vibraiile sunt de amplitudine joas i frecven nalt, pn la 18 KHz.

Vibrotermografia poate furniza informaii asupra nceputului deteriorrii materialului pn la distrugerea sa, precum i asupra regiunilor cu concentratori de tensiuni (guri, crestturi etc).

Dezvoltarea gradienilor de temperatur i gradul de nclzire depind de gradul de delaminare, de extinderea deteriorrilor i de frecvena cu care se aplic energia mecanic de vibraie.

11.1.5 Metode radiografice

Radiografia cu raze X permite evidenierea deteriorrilor care pot s apar n structura unui material compozit precum i a mai multor caracteristici ale acestora [2], [3].

n studiul comportrii materialelor compozite, de multe ori sunt necesare informaii detaliate privind structura, la nivel microscopic, care s permit observarea fisurilor din matrice, a delaminrilor ori desprinderea fibrelor de matrice. Astfel de informaii pot fi obinute cu mult precizie cu ajutorul radiografiei cu raze X.

a) Radiografia cu raze X la tensiune sczut

Este cea mai veche metod pentru studiul nedistructiv al materialelor compozite. Cu ajutorul radiografiei cu raze X la tensiuni sczute pot fi evideniate:

- zone unde coninutul de matrice este mai dens;

- orientarea fibrelor i distribuia general a componentelor materialului compozit;

- fisurile de dimensiuni mai mari din interiorul materialului compozit.

Mai greu se observ delaminrile, iar studierea unei singure fibre este sub limita de rezoluie.

Defectele i deteriorrile aprute n materialele compozite sunt de dimensiuni foarte mici (1-5 mm) iar pentru vizualizarea lor este necesar un contrast foarte puternic.

S-a constatat apariia unor contraste cu 15% mai mari cnd s-a utilizat o tensiune de 20 KV, fa de 40 KV.

Pentru compozite subiri (1-3 mm), tensiunile cele mai folosite sunt cuprinse ntre 15-25 KV.

Materialul compozit are n componena sa elemente cu numr atomic mic i densitate mic, fiind astfel caracterizat printr-o absorbie sczut de raze X. Absorbia sczut de raze impune un timp de expunere mare. De aceea, trebuie realizat un compromis ntre contrast, care se dorete maxim i timpul de expunere, ce ar trebui s fie ct mai mic.

Coninutul de fibr poate fi uor determinat analiznd contrastul filmului, mai ales n cazul fibrelor de sticl, datorit coeficientului nalt de absorbie a radiaiilor pentru sticl (de aproximativ 20 de ori mai mare dect al majoritii rinilor).

Practic este imposibil s se msoare cu ajutorul radiografiei coninutul de fibre de carbon al unui compozit, datorit coninutului mare n carbon att al fibrelor ct i al rinii.

b) Radiografia penetrant cu raze X

Cu ajutorul acestei metode se pot studia deteriorrile care apar la suprafaa compozitului: delaminri, fisurri longitudinale i transversale ale matricei [13].

Cnd se urmrete vizualizarea fisurilor mici ale compozitului sau a delaminrilor este necesar utilizarea unui penetrant ce permite chiar i evidenierea porilor ori a desprinderilor fibrei de matrice. n acelai timp, el creeaz un contrast puternic ntre zonele cu defecte (deteriorri) i cele fr defecte prin absorbirea diferit a razelor X.

Penetrantul trebuie s fie utilizat cu mult precauie datorit toxicitii sale. Acesta nu trebuie s produc fisurri sau desprinderi ale fibrelor de matrice, trebuie s umple complet porii i fisurile existente i s fie uor de ndeprtat dup testare.

n practic se folosesc dou metode de penetrare cu raze X a epruvetei [3]:

- penetrarea la margine;

- penetrarea prin submersie.

Pentru penetrarea la margine epruveta este montat pe o main de testare, ncrcat cu o sarcin egal cu 5% din sarcina de rupere, iar penetrantul este aplicat manual, pictur cu pictur, timp de 30 minute, folosindu-se o sering. Metoda prezint cteva dezavantaje legate de timpul de penetrare i de folosirea ei pentru determinri in situ.

n cazul penetrrii submersive, epruveta este introdus n penetrant, n timpul solicitrii sau chiar n absena acesteia.

c) Radiografia in situ cu penetrare submersiv n timpul ncrcrii statice i la oboseal

Pentru urmrirea evoluiei n timp a fisurii, radiografia in situ se dovedete a fi cea mai potrivit metod [2], [3].

Echipamentul de raze X este montat pe o main de testare la oboseal, penetrarea realizndu-se cu ajutorul unui tub de cauciuc flexibil, ce poate fi ridicat sau cobort pe epruvet.

Penetrantul trebuie s acopere ntregul defect i s nu provoace o mrire a fisurii, timpul de ptrundere fiind dependent de mrimea defectului (deteriorrii).

n practic se utilizeaz mai des penetraia incremental (se penetreaz partea de radiografiat un anumit timp, se radiografiaz, apoi procesul se repet, radiografiile de la fiecare pas comparndu-se ntre ele pentru a se observa propagarea fisurii).

Pentru un compozit carbon-epoxy penetrantul cel mai bun este di-iod metan (CH2I2). Ali penetrani mai des folosii sunt: iodura de zinc, alcoolul isotropilic, Kodak Photoflow.

Radiografia penetrant cu raze X se dovedete a fi necesar atunci cnd detaliile ce se urmresc a fi obinute sunt foarte fine.

n ultimii ani se folosesc frecvent i alte procedee radiografice: micro-radiografia, stereo-radiografia [23] sau radiografia cu fascicul de neutroni [24].

Stereo-radiografia const n efectuarea a dou radiografii cu raze X pentru aceeai epruvet, unghiul dintre cele radiografii fiind de 15SYMBOL 176 \f "Symbol". Cele dou radiografii sunt apoi vizualizate prin metode stereo-optice, fiecare radiografie fiind vizualizat de ctre fiecare ochi n parte.

Radiografia cu fascicule de neutroni este eficient n detectarea defectelor structurale (incluziuni, goluri etc.) ale materialelor compozite.

Radiografia cu raze X nu este capabil s detecteze ruperea fibrelor n epruvetele armate cu fibre de grafit sau cu fibre aramide. A fost n schimb utilizat cu succes n cazul fibrelor de bor.

11.1.6 Metode ultrasonice

Metodele ultrasonice sunt folosite cel mai frecvent n ultimii 20 de ani pentru localizarea i identificarea naturii defectelor i deteriorrilor din compozite [2]. Aceast metod se bazeaz pe atenuarea sunetului la frecvene nalte, la trecerea prin materialul structurii investigate. Principalele surse de atenuare a sunetului sunt:

- efectele vscoelastice din matrice;

- dispersiile geometrice date de eterogenitatea materialului;

- delaminrile i fisurile interne care pot fi puse n eviden printr-o alegere corect a lungimii de und a sunetului.

Receptarea emisiei ultrasonice (de la 1 la 15 MHz) se face cu traductori piezoelectrici, care sunt cufundai mpreun cu structura de studiat n ap, ca mediu de cuplare uniform la transmiterea ultrasunetelor. Se folosesc n general dou traductoare: unul de emisie a semnalului, de o parte a corpului studiat i altul de recepie, de cealalt parte. Cnd se folosete un singur traductor, acesta emite semnalul i tot el l recepioneaz pe cel reflectat de pe suprafaa cea mai deprtat a corpului.

nregistrarea semnalelor amplitudine timp se face ntr-un punct, pe perimetrul seciunii transversale sau pe suprafaa corpului. O variant analoag const n nregistrarea variaiei tensiunii la ntlnirea defectului i se compararea acesteia cu variaia obinut pentru defecte cunoscute ale unor epruvete (structuri). Metoda permite determinarea microporozitii, a rigiditii materialului, a procentului volumic de fibre din matrice i a rezistenei la rupere a compozitelor [25].

Rigiditatea poate fi determinat ultrasonic prin msurarea vitezei de propagare a undei ultrasonice, cunoscnd densitatea materialului.

Msurrile cu ultrasunete au fost folosite pentru a determina toate cele 9 constante elastice ale stratificatelor carbon - epoxy.

Evaluarea nedistructiv convenional a materialelor compozite prin tehnici ultrasonice cum ar fi "scanarea de tip C", utilizeaz de obicei unde care se propag normal ctre suprafaa compozitului, aria supus cercetrii n fiecare moment fiind limitat la regiunea acoperit de detector. Acest tip de testare "punctat" necesit foarte mult timp n cazul cecetrii structurilor mari, pn cnd detectorul va scana ntreaga arie de testat. n practic, compozitele sunt adesea destul de tolerante la defecte mici i de aceea este necesar gsirea unor defecte i deteriorri relativ mari (delaminri pe 10 - 20 mm). Dac este gsit un defect sau o deteriorare, metodele convenionale pot s fie utilizate apoi pentru caracterizarea lui n detaliu.

Metoda impune necesitatea unui sistem de scanare bine pus la punct, pentru investigarea structurilor aflate n exploatare, de exemplu n aviaie, domeniu n care sunt necesare scanri chiar i atunci cnd avioanele sunt pe pist ori n zbor [26].

Ultrasunetele bazate pe laser elimin necesitatea de a menine detectorul perpendicular pe structur, deoarece direcia de propagare a undelor ultrasonice nu este afectat semnificativ de orientarea laserului utilizat pentru excitare.

Figura 11.17

Tehnica cu ultrasunete laser nu elimin nevoia de scanare n dou dimensiuni, peste ntreaga suprafa a structurii investigate. Scanarea se poate realiza mai uor cu ajutorul unor oglinzi care s schimbe direcia [27] undelor laser, aa cum se observ n figura 11.17.

O tehnic ieftin i comod este utilizarea undelor ultrasonice tip Lamb.

Figura 11.18

Aceast metod cost n scanarea suprafeelor de investigat cu detectoarele orientate ntr-o singur direcie. n figura 11.18 se poate observa modul de dispunere a celor dou traductoare n cazul utilizrii undelor Lamb.

11.1.7 Metoda emisiei acustice

Una dintre metodele nedistructive cele mai utilizate pentru analiza structurilor realizate din compozite stratificate armate cu fibre este metoda emisiei acustice [2], [3].

Metoda se bazeaz pe eliberarea brusc, sub form de impulsuri acustice a unei pri din energia de deformaie acumulat de un corp n urma solicitrii mecanice.

n cazul materialelor compozite exist o varietate larg de mecanisme recunoscute responsabile pentru generarea emisiei acustice, pornind de la apariia dislocaiilor, pn la propagarea ruperii, incluznd delaminri, microfisurri ale matricei, ruperi de fibre i desprinderi ale fibrelor de matrice. Semnalele acustice pot fi detectate cu traductoare piezoelectrice aflate n contact printr-un mediu de cuplare cu suprafaa materialului care se investigheaz, semnalele fiind nregistrate i analizate electronic.

Fa de procedeele ultrasonice, unde un singur traductor scaneaz mecanic suprafaa structurii, o dispunere corect a traductoarelor utilizate n emisia acustic, poate duce la o analiz rapid i precis a structurii studiate, cu posibilitatea prelucrrii datelor pe calculator.

O instalaie pentru studiul structurilor din materiale compozite cu metoda emisiei acustice cuprinde: traductoare (senzori), un echipament de baz pentru analiza semnalului (amplificator, filtru, aparatur pentru achiziia i procesarea datelor) i cteva dispozitive pentru ncrcarea structurii [3].

Metoda emisiei acustice este aplicat n acelai mod att pentru materiale compozite cu matrice polimeric (vase sub presiune, structuri de automobile i aeronautice etc.) ct i pentru cele cu matrice metalic.

Spre deosebire de procedeele ultrasonice sau de cele radiografice, unde defectele se pot localiza foarte precis, n cazul emisiei acustice acestea nu pot fi depistate cu precizie din punct de vedere a poziiei lor.

ntruct, prin structura lor, materialele compozite atenueaz semnalul acustic mai mult dect materialele izotrope, numrul traductoarelor necesare este mai mare n cazul analizei compozitelor.

Ca i n cazul materialelor izotrope, trebuie s se in seama n calcul de toate trecerile peste nivelele prestabilite ale semnalelor acustice, numrul semnalelor numrate depinznd de mai muli factori: rezistena sursei de semnal acustic, sensibilitatea traductorului, cuplarea eficient a traductorului, atenuarea materialului compozit, nivelul prestabilit al intensitii semnalului acustic [28], [29].

Traductoarele folosite pentru analiza cu tehnica emisiei acustice sunt similare celor utilizate n investigarea cu unde ultrasonice, n acest caz fiind necesar o sensibilitate mai mare a acestora, n special pentru frecvene cuprinse ntre 100-500 Hz, unde pentru structuri din materiale compozite se obine un semnal de emisie foarte bun.

Pentru determinri cu aceast tehnic experimental, pe structuri din materiale izotrope, n vederea obinerii unor semnale de emisie suficient de puternice, se recomand ca sursele de emisie s fie amplasate n interiorul unor spaii sub form de hiperboloizi, astfel nct localizarea defectelor s se fac foarte precis. Cnd determinrile urmeaz s fie fcute pe materiale anizotrope, cum sunt materialele compozite, deoarece viteza de propagare a undelor variaz cu direcia, sursele nu mai pot fi amplasate n spaii bine determinate geometric. n acest caz, n funcie de structura compozitului i de tipul determinrii care urmeaz s fie efectuat, amplasarea surselor de emisie acustic se face pe baza unor metode aproximative.

Emisia acustic poate fi folosit pn la punctul la care s se poat distinge diferite moduri de rupere ale materialului. Acestea pot fi analizate prin gruparea diferitelor semnale primite conform nivelelor de energie. n urma gruprii pe trei nivele de energie sunt evideniate urmtoarele trei deteriorri: ruperea fibrelor, a matricei i delaminarea.

Tehnica emisiei acustice cunoate n literatura de specialitate o utilizare tot mai mare n investigaiile experimentale care se ntreprind pe structuri din materiale compozite. n ultimii ani aceast metod este folosit n vederea localizrii cu precizie a unor tipuri de deteriorri (dislocaii, delaminri, desprinderi, ruperi de fibre etc.) i pentru evidenierea mecanismelor de producere a acestora.

n comparaie cu alte tehnici experimentale nedistructive, tehnica emisiei acustice ofer posibilitatea rapid a nominalizrii unei varieti mari de deteriorri care pot s apar n structurile din materiale compozite, n urma solicitrilor la care sunt supuse.

11.2 Metode experimentale specifice materialelor compozite

Alturi de metodele experimentale clasice, au aprut i s-au dezvoltat o serie de noi metode experimentale, destinate materialelor i structurilor din materiale compozite stratificate i armate cu fibre.

Holografia i interferometria granular sunt folosite la identificarea defectelor de suprafa.

Metodele electromagnetice ce folosesc microundele au fost utilizate la analiza compozitelor sticl-epoxy.

Tensiunile locale principale dintr-un material compozit transparent pot fi determinate cu o tehnic optic nou, pe baz de imagini laser [30]. Procedeul const n utilizarea simultan a metodei fotoelastice i a metodei holografice.

Cnd un fascicul laser polarizat circular este incident pe un material fotoelastic transparent, dup trecerea prin materialul respectiv, devine modulat, aceasta datorit indicilor de refracie ai materialului n1 i n2 de pe direciile tensiunilor principale.

Aceast modulare poate fi exprimat astfel:

n1 n0 = A SYMBOL 115 \f "Symbol"1 + B SYMBOL 115 \f "Symbol"2 ;

n2 n0 = B SYMBOL 115 \f "Symbol"1 + A SYMBOL 115 \f "Symbol"2 ,

(11.8)

unde n0 este indicele de refracie iniial al materialului, A i B constante optice de tensiune.

Diferena de drum optic este dat de relaia:

SYMBOL 100 \f "Symbol" = (2SYMBOL 112 \f "Symbol"/SYMBOL 108 \f "Symbol") C (SYMBOL 115 \f "Symbol"1 - SYMBOL 115 \f "Symbol"2) t

(11.9)

unde C este constant fotoelastic, t este grosimea materialului iar SYMBOL 108 \f "Symbol" lungimea de und a fasciculului incident.

Cnd fasciculul incident cade asupra probei sub un unghi SYMBOL 113 \f "Symbol" fa de axa Oz, diferena de drum optic devine [30]:

(5.8)

Din relaiile (11.8) i (11.9) se vor determina tensiunile principale SYMBOL 115 \f "Symbol"1 i SYMBOL 115 \f "Symbol"2.

Schema global a instalaiei este artat n figura 11.19, unde pot fi observate oglinzile i lentilele aflate n componena acesteia.

Modelul supus determinrii experimentale este prezentat n figura 11.20.

Figura 11.20

Figura 11.19

n figura 11.21 se prezint schema de ncrcare i curbele izocline ce permit obinerea direciilor tensiunilor principale.

Figura 11.21

O metod modern pentru determinarea defectelor i deteriorrilor interne din materiale compozite este i ncorporarea n matricea acestora a unor fibre optice ce permit un control permanent asupra comportrii interne a prilor critice ale compozitului [31], [32], [33].

Fibrele optice ncorporate pot fi folosite pentru detectarea deteriorrilor ce apar la impact i pentru studiul vibraiilor. ncorporarea senzorilor trebuie fcut ns cu mare grij pentru asigurarea unei bune compatibiliti ntre senzori i materialul compozit.

Spectroscopia Raman este o alt nou metod experimental pentru investigarea experimental a tensiunilor [34], [35].

Undele termice pot fi de asemenea folosite n evaluarea nedistructiv a compozitelor [36].

Pentru acelai tip de investigaii se poate folosi i tomodensimetria [37].

n ceea ce privete determinrile experimentale, se poate spune c majoritatea metodelor experimentale clasice se aplic i pentru analiza strii de tensiuni i deformaii din structuri compozite, inndu-se seama de particularitile materialelor compozite.

Dintre metodele experimentale clasice, tensometria electric rezistiv i metodele moir conduc la rezultate foarte bune.

Pentru investigarea experimental a materialelor i structurilor din materialele compozite exist tehnici i metode specifice acestora.

Foarte des n ultimii ani se folosesc metode nedistructive pentru analiza structurilor compozite.

Pentru aproape toate tipurile de solicitri simple exist, normalizate internaional, teste speciale de ncercare (ASTM).

n ultimii ani cercetrile experimentale sunt orientate ctre studiul comportrii la oboseal al materialelor compozite dar i ctre solicitarea biaxial a acestora.

Punerea la punct a multora dintre tehnicile experimentale specifice compozitelor se afl nc la nceput, fiind destul de dificil de apreciat posibilitile de utilizare a acestora n viitor.

Bibliografie

1. Almoreanu, E., Negru, C., Gheorghiu, H., Hadr, A., Studiul caracteristicilor i metodelor de calcul adecvate materialelor compozite , Contract M. C. T., 1991-1992

2. Hadr, A., Probleme locale la materiale compozite, Universiatatea POLITEHNICA Bucureti, 1997

3. Iliescu, N., Hadr, A., Constantin, N., Jiga, G., Program interdisciplinar de fundamentare a unor tehnici avansate pentru caracterizarea elastic i de rezisten a unor materiale noi n sisteme integrate de msurare i interpretare asistate de calculator, Contract M. C. T. 836 - A 17, 1995 - 1997

4. Pendleton, R. L., Tutle, M. E., Manual of Experimental Methods for Mechanical Testing of Composites, SEM, 1989

5. Parsons, M. W., Pascoe, K. J., Development of a Biaxial Fatigue Testing Rig, Journal of Strain Analysis, Vol. 10, nr. 1, 1975

6. Constantin, N., Jiga, G., Horhoianu, N., Hadr, A., Cadru experimental pentru ncercarea epruvetelor n regim de solicitare biaxial, Revista Construcia de maini, Bucureti, nr. 8-9, august - septembrie 1995

7. Constantin, N., Hadr, A., Jiga, G., Sndulescu, N., Behaviour of Glass Reinforced Composites in Uniaxial and Biaxial Tensile Tests, International Conference of Composites Engineering, New Orleans, August 1996

8. Iliescu, N., Hadr, A., Constantin, N., Asupra unor stri locale de tensiune i deformaie n compozite stratificate armate solicitate la ntindere echibiaxial, a XV- a Sesiune de comunicri tiinifice a cadrelor didactice, Academia Naval Mircea cel Btrn, Constana, noiembrie 1997

9. Suemasu, H., Effect of Multiple Delaminations on Compressive Buckling Behaviour of Composite Panels, Journal of Composite Materials, Vol. 27, nr. 12, 1993

10. Hadr, A., Constantin, N., Sndulescu, N., Study of Interlaminar Stresses and Delaminations Effect on Carrying Load Capacity of Laminates, International Conference of Composites Engineering, New Orleans, August 1996

11. Iliescu, N., Hadr, A., Constantin, N., Contribuii privind studiul tensiunilor interlaminare n compozite stratificate armate cu fibre, a XXVII - a Sesiune de comunicri tiinifice cu participare internaional, Academia Tehnic Militar, Bucureti, noiembrie 1997

12. Constantin, N., Hadr, A., Jiga, G., Iliescu, N., Studiul tensiunilor interlaminare i al efectului delaminrilor asupra capacitii portante a materialelor compozite stratificate, Contract M.C.T. 836 - A 104, 1996-1997

13. Daniel, I. M., Composite Materials, Chapter 19 in Handbook on Experimental Mechanics, SEM Inc., Ed. Albert Kobayashi, Pretice - Hall, 1987

14. Almoreanu, E., Chiri, R., Bare i plci din materiale compozite, Editura Tehnic, Bucureti, 1998

15. Pindera, J. T., Krasnowski, B. R., Pindera, M. J., Theory of Elastic and Photoelastic Isodynes. Sample of Application in Composite Structures, Experimental Mechanics, 1985

16. Pindera, J. T., Pindera, M. J., On the Methodologies of Stress Analysis of Composite Structure - Part 2: New Experimental Approches, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 1986

17. Kemmochi, K., Uemmura, M., Measurement of Stress Distribution in Sandwich Beams Under Four-point Bending, Experimental Mechanics, 1980

18. Ho, H., Tsai, M. Y., Morton, J., A Comparison of Three Popular Test Methods for Determining the Shear Modulus of Composite Materials, Composites Engineering, New Orleans, Vol. 3, 1993

19. Broutman, L. J., Kobayashi, T., Carillo, D., Determination of Fracture Sites in Composite Materials, J. Compos. Mater., 1969

20. Charles, J. A., Liquid Cristals for Flow Detection in Composite, ASTM STP 696, 1979.

21. Hobbs, C. P., Temple, A., The Inspection of Aerospace Structures Using Transient Thermography, Brit J NDT 35, 1993

22. Reifsneider, K. L., Henneke, E. G., Stinchcomb, W. W., The Mechanics of Vibrothermography, in Mechanics of Non-Destructive Testing, New-York, 1980

23. Rummel, W. D., Tedrow, T., Brinkerhoff, H. D., Enhaced X-Ray Stereoscopic NDE of Composite Materials, AFWAL - TR -80 - 3053, Airforce Wright Aeronautical Laboratories, 1980

24. Dance, W. E., Middlebrook, J. B., Neutron Radiographic Non-Destructive Inspection for Bonded Composite Structures, in Nondestructive Evaluation and Flaw Critically for Composite Materials, STP 696, Ed. American Society for Testing Materials

25. Vary, A., Bowles, K. J., On Utrasonic - Acoustic Tehnique for Non-Destructive Evaluation of Fiber Composite Strenght, Reinf. Plast./Compos. Inst.,Sec 24-A, 1978

26. Iddings, F. A., Large Area Aircraft Scanner, Rewiew of Progress in Quantitative NDE, Vol. 11, Ed. by D. O. Thompson and D. E. Chimenti , Plenum Press, New York, 1992

27. Cawley, P., The Rapid Non-Destructive Inspection of Large Composite Structures, Composites, Vol. 25, Number 5, 1994

28. Rotem, A., The Discrimination of Micro-Fracture Mode of Fibrous Composite Material by Acoustic Emission Technique, Fibre Sci. Tehnol., Number 10, 1977

29. Awerbuch, J., Gorman, M. R., Madhudar, M., Monitoring Acousting Emission During Quasy-Static Loading-Unloading Cycles of Filament-Wound Graphite-Epoxy Laminate Coupouns, Materials Evaluation, Vol. 43, Number 6, 1985

30. Yan, X., Ohsava, T., Measurement of the Internal Local Stress Distribution of Composite Materials by Means of Laser Imaging Methods, Composites, Vol. 25, Number 6, 1994

31. Hofer, B., Fiber Optic Damage Detection in Composite Structures, Composites, Vol. 18, Number 4, 1987

32. Waite, S. R., Tatam, R. P., Jackson, A., Use of Optical Fibers for Damage and rain Detection in Composite Materials, Composites, Vol. 19. Number 6, 1988

33. Glossop, N. D. W., Dubois, S., Tsaw, W., Leblanc, M., Lymer, J., Optical Fiber Damage Detection for an Aircraft Composite Leading Edge, Composites, Vol. 21, Number 1, 1990

34. Summerscales J., Non-Destructive Testing of Fiber Reinforced Plast Composites, Elvisier Applied Science Publ., 1987

35. Robinson, I. M., Young, R. J., Galiotis, C., Batchelder, D. N., Non-Destructive Evaluation of Composite Materials Using a RAMAN Optomechanical Strain Gage, ICCM 6, Vol. 1, Elsevier Applied Science Public., 1987

36. Rief, B., Eyerer, P., Busse, G., Non-Destructive Evaluation of Carbon Fiber Reinforced Plastic with Optically Generated Thermal Waves, ICCM 6, Vol. 1, Elsevier Applied Science Public., 1987

37. Thiery, C., Use of Medical Tomodensitometer in Non-Destructive Testing of Composite Materials, ICCM 6, Vol. 1, Elsevier Applied Science Public., 1987_956955329.unknown

_956955334.unknown

_956955337.unknown

_957005909.unknown

_958077131.unknown

_956955338.unknown

_956955336.unknown

_956955332.unknown

_956955333.unknown

_956955331.unknown

_956955325.unknown

_956955327.unknown

_956955328.unknown

_956955326.unknown

CAP.11

Documents

Transcript of CAP.11