Structural Health Monitoring of Composite Materials using Carbon Fiber Sensors. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (Thesis Final) Thesis_Final_Version.pdf - Published Version Download (3MB) | Preview

Arabic Abstract

تستخدم المراقبة الصحية الهيكلية في التطبيقات الهندسية المختلفة بسبب الفوائد الاقتصادية وضمان السلامة التي قد تجلبها. ومن الأهمية بمكان تقييم الأضرار في الهياكل باستخدام أي عناصر استشعار. وبما أن الأسلوب يكمن فقط في الكشف عن الضرر، تستخدم تقنيات مختلفة للكشف عن الضرر. وفي السنوات الأخيرة، شهدت المواد المركبة نموا متزايدا كبديل للمواد الحالية مثل السبائك المعدنية. ويرجع ذلك إلى قوة عالية جدا وصلابة وكذلك انخفاض الوزن وسهولة التشكيل. وعلاوة على ذلك، لدى ألياف الكربون خصائص مقاومة كهربائية خطية، مما يسمح باستخدامها كأجهزة استشعار لتكون مماثلة لأجهزة القياس القياسية. وهذا يسمح باستخدامها كمستشعر لمختلف التطبيقات مثل كشف الضرر، وتحليل الإجهاد ورصد عمليات التصنيع والجودة. يهدف هذا البحث إلي دراسة عملية مراقبة سلامة الهياكل المكونة من مواد مركبة، وهذه العملية تتم بإستخدام حساسات مكونة من ألياف الكربون. تم تطوير برنامج محاكاة تحسيبي لحساب الأضرار الناتجة في الهياكل المصنوعة من المواد المركبة. تم تطوير و تصنيع حساسات الياف الكربون. تم تطبيق بعض التجارب وإجراء بعض الدراسات التحسيبيبة لفهم خاصية المقاومة الكهروميكانيكية للحساسات. تم إجراء دراسة تجريبية لفهم المتغيرات الخاصة بالحساسات بغرض إيجاد القيم المثلي للمتغيرات التي يجب إستخدامها في عملية مراقبة سلامة الهياكل. تم إجراء دراسة تجريبية لفهم الضرر الناتج من أحمال الصدم عندما يتم وضع الحساسات علي داخل الواح مستطيلة من مواد مركبة، وقد أثبتت نتائج هذه الدراسة أن الحساسات قادرة علي الكشف عن الإنفعال والتشوه الناتج من أحمال الصدم. هذه الدراسة ستمكن الباحثين من توقع سلوك حساسات الياف الكربون، وكذلك تمثل الأساس لتصميم مثل الحساسات في المستقبل وإستخدامها في مختلف الأغراض.

English Abstract

Structural health monitoring is being used in different engineering applications due to the economic benefits and the safety assurance that it may bring. It is crucial to the assessment of damages in structures by the use of any sensing elements. Since the method solely lies on detecting damage, various damage detection techniques are used, with each technique varying with the application. In recent years, composite materials have had an increased growth as an alternative to current materials like metallic alloys. This is due to their very high strength and stiffness as well as low weight and easy shaping. Moreover, carbon fibers also display linear piezoresistive properties, permitting their use as strain sensors similar to standard strain gauges. This allows them to be used as a sensor for various applications such as damage detection, stress analysis and monitoring of manufacturing processes and quality. In this research, damage detection application of carbon fiber as a sensor is studied. The focus of this research is on structural health monitoring of composite structures using carbon fiber sensors. A multi-physics computational model is developed for simulation of effect of damage against composite structures. Carbon fiber sensors are developed to perform reliable strain measurements. Both experimental and computational studies are carried out in order to understand the piezoresistivity of the carbon fiber sensors. A parametric study is conducted using experiments to find the effect of different parameters on the output of the carbon and to find an optimum set of parameters for the sensor. It was found that 3K carbon fibers had the largest change in resistance in low strain levels. Moreover, of the three different lengths used, the shortest lengths of carbon fibers were found to have relatively greater change in resistance. It was also found that changing the epoxy mixture ratio had no effect on the tensile behavior of the sensor. An impact test is conducted to evaluate the performance of carbon fibers when embedded in a composite plate subjected to low velocity impact. Five different impact energies were used to impact the composite plate and the sensor could follow the curve of deflection of the plate. The results show that carbon fiber sensor’s output can successfully follow the deflection of the plate. 10 J of impact energy could damage the composite plates and was detected by the sensor. The value of the sensor at the damage can be set as a safety factor limit for damage detection. This study will allow researchers to predict the behavior of the carbon fiber sensor in real life and it will serve as a basis for designing a carbon fiber to be used in different applications as a sensor.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Salem, Bashmal
Committee Members:	Abul Fazal M., Arif and Albinmousa, Jafar
Depositing User:	MOHAMMAD SIDDIQUI (g201307930)
Date Deposited:	17 Jul 2017 13:02
Last Modified:	31 Dec 2020 08:17
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140402