Έλεγχος της δομικής ακεραιότητας με καινοτόμες μεθόδους μη καταστροφικού ελέγχου σε κατασκευές και σύνθετα υλικά

Abstract

Το αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής αναφέρεται στην ανάπτυξη νέων μεθόδων μέτρησης της παραμόρφωσης με μαγνητικές και ηλεκτρικές μεθόδους. Συγκεκριμένα αναπτύχτηκαν τρεις διαφορετικές μεθοδολογίες μέτρησης της παραμόρφωσης με την χρήση α) κοκκώδους σύνθετου υλικού σιδήρου εξοξικής ρητίνης β) άμορφων μαγνητοελαστικών συρμάτων και γ) ηλεκτρικά αγώγιμης βαφής αργύρου. Παράλληλα αναπτύχτηκε πρωτότυπο σύστημα οπτικής παρακολούθησης της θέσης επαγωγικών αισθητήρων. Με βάση αυτές τις μεθοδολογίες θα μπορούσε να είναι δυνατή μια σχετικά γρήγορη επιθεώρηση (σε σχέση με τις υφιστάμενες μεθόδους ΜΚΕ) ανά τακτά χρονικά διαστήματα, προκειμένου να ανακτηθεί το παραμορφωσιακό πεδίο της κατασκευής. Στη συνέχεια θα συγκρίνεται με προηγούμενες μετρήσεις, με σκοπό τον εντοπισμό πιθανών διαφορών οι οποίες θα υποδεικνύουν κάποια ενδεχόμενη ατέλεια στην κατασκευή. Η ανάπτυξη και εφαρμογή αυτής της μεθοδολογίας είναι ένα σημαντικό βήμα προς τη βελτίωση της αξιοπιστίας και της απόδοσης των δομικών στοιχείων μιας κατασκευής. Η ικανότητα να παρακολουθείται το παραμορφωσιακό πεδίο κατά τη διάρκεια ή μετά την εφαρμογή εξωτερικών φορτίσεων, θα βοηθήσει σε μεγάλο βαθμό στην μείωση του βάρους (μέσω της μείωσης των συντελεστών ασφαλείας), τον αρχικό σχεδιασμό και την αύξηση της ταχύτητας ελέγχου. Όπως αποδείχτηκε πειραματικά τα κοκκώδη σύνθετα υλικά με εγκλείσματα σιδήρου έχουν την ικανότατα να μεταβάλλουν τις μαγνητικές τους ιδιότητες όταν παραμορφώνονται. Η έρευνα επικεντρώθηκε στην μελέτη της μεταβολής της μαγνητικής αντίστασης (Reluctance) όταν αυτά υπόκεινται σε εφελκυσμό. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων απέδειξαν πως υπάρχει γραμμική συσχέτιση μεταξύ της μεταβολής της μαγνητικής αντίστασης και της παραμόρφωσης. Άρα να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν εξωτερικά στρώματα σε ένα υλικό ή μια κατασκευή και να καταγράφουν μεταβολές στο παραμορφωσιακό πεδίο τους. Το φαινόμενο μπορεί να γίνει αισθητό ακόμη και σε περιπτώσεις μικρής σχετικά συγκέντρωσης (κατά βάρος), οπότε αυτή η μεθοδολογία θα μπορούσε να εφαρμοστεί απευθείας σε πολυμερή εμπλουτισμένα με σωματίδια σιδήρου. Τα πειραματικά αποτελέσματα δίνουν σαφείς ενδείξεις πως αν όλες οι παράμετροι διατηρηθούν σταθερές τότε μπορεί να επιτευχτεί επαναληψιμότητα στις μετρήσεις. Έτσι ένα τέτοιο υλικό μπορεί να βαθμονομηθεί ώστε να προκύψει μια πειραματική σχέση μεταξύ της παραμόρφωσης και της μεταβολής της πυκνότητας μαγνητικής ροής, η οποία να ισχύει για κάθε υλικό με τα ίδια χαρακτηριστικά. Η πειραματική μελέτη έδειξε πως η ενσωμάτωση άμορφων μαγνητοελαστικών συρμάτων σε πολυμερή και σύνθετα υλικά μπορεί να αναβαθμίσει τις ιδιότητες τους επιτρέποντας την μέτρηση της παραμόρφωσης τους. Η μεταβολή της μαγνητικής διαπερατότητας των εν λόγω συρμάτων επιδεικνύει εξαιρετική απόκριση σε σχέση με την παραμόρφωση και για τις δυο διαφορετικές μεθοδολογίες που δοκιμάστηκαν (με αγωγή και επαγωγή). Στην περίπτωση όπου οι μετρήσεις λαμβάνονται με αγωγή (κλασσικό φαινόμενο GMI) παρατηρήθηκε καλύτερη απόκριση στα σύρματα τα οποία έχουν αρνητικό συντελεστή μαγνητοσυστολής, καθώς η απόκριση τους σε σχέση με την παραμόρφωση είναι μονότονη. Αντίστοιχα στην περίπτωση όπου οι μετρήσεις λαμβάνονται με επαγωγικούς αισθητήρες παρατηρήθηκε πως τα σύρματα με αρνητικό συντελεστή μαγνητοσυστολής και σε αυτή την περίπτωση επιδεικνύουν καλύτερη συμπεριφορά καθώς η απόκριση τους σε σχέση με την παραμόρφωση είναι μονότονη. Μελλοντικές χρήσεις αυτής της μεθοδολογίας περιλαμβάνει την ενσωμάτωση τέτοιων συρμάτων στο εσωτερικό ή στην εξωτερική επιφάνεια κατασκευών από σύνθετα υλικά. Βέβαια όπως παρατηρήθηκε, η απευθείας ενσωμάτωση των συρμάτων σε ένα σύνθετο υλικό μπορεί να προκαλέσει την δημιουργία ατελειών. Γι’ αυτό κρίνεται σκόπιμο να υπάρχει κάποια χημική κατεργασία της επιφάνειας των συρμάτων ώστε να επιτυγχάνεται καλύτερη πρόσφυση με την μήτρα.

Τα πειραματικά αποτελέσματα αποδεικνύουν πως η ηλεκτρικά αγώγιμη βαφή με νιφάδες Αργύρου παρουσιάζει μεταβολή των ηλεκτρικών της ιδιοτήτων με την παραμόρφωση. Έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αισθητήρας παραμόρφωσης σαν εξωτερική επίστρωση σε υλικά και κατασκευές. Η μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας που μετρήθηκε κατά την διάρκεια των πειραμάτων παρουσιάζει γραμμική συμπεριφορά για ένα μεγάλο εύρος παραμορφώσεων ενώ η απόκριση είναι αρκετά μεγαλύτερη σε σχέση με τα κλασικά ηλεκτρικά μηκυνσιόμετρα. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως αν διατηρηθούν τα ίδια γεωμετρικά χαρακτηριστικά σε ένα αποτύπωμα από τέτοιου είδους βαφή, είναι δυνατή η επαναληψημότητα των μετρήσεων ώστε να μπορεί να γίνει βαθμονόμηση. Για την βελτιστοποίηση των μετρήσεων, ίσως θα ήταν σκόπιμο η εφαρμογή να γίνεται με την μορφή λεπτού φιλμ από σύνθετο υλικό (νιφάδων Αργύρου/πολυμερούς) με προτυποποιημένες διαστάσεις και σύσταση. Η αριθμητική προσομοίωση έδειξε πως κάτω από προϋποθέσεις η χρήση αυτού του υλικού θα μπορούσε να βοηθήσει στην καταγραφή του παραμορφωσιακού πεδίου μιας κατασκευής και στην αναγνώριση ενδεχόμενων βλαβών.

The subject of this doctoral research concerns the development of new electrical and magnetic methods for Strain sensing. Specifically three deferent types of measuring strain were developed a) using iron/epoxy particulate composite material b) using magnetostrictive wires embeded in polymer and carbon/epoxy samples and c) using electrically conductive Silver paint. Alongside a prototype system was developed for tracking the position of inductive sensors. These methodologies could provide a relatively quick inspection (compared with existing methods of NDT) at regular intervals in order to recover structure’s Strain field. This field will be compared with previous measurements in order to detect possible differences which would indicate possible structural defects. The development and application of this methodology is a significant step towards improving the reliability and performance of components of a structure. The ability to monitor the strain field during or after the application of external loads will contribute to the reduction of the structure’s weight (by reducing safety factors), better initial design and faster inspection. The experimental procedure proved that iron/epoxy particulate composites have the ability to alter their magnetic properties by deformation. The research focused on the alteration of magnetic resistance (Reluctance) under tension. The experimental results have shown that there is a linear correlation between the alteration of magnetic resistance and strain. Therefore these materials can be used as outer layers of a structure in order to measure the strain field. This phenomenon can be seen even at composites with low iron concentration (by weight), so this methodology could be applied directly to polymers enriched with iron particles. The experimental results provide clear evidence that if all parameters are kept constant, repeatability could be archived. Thus such a material can be calibrated to produce an experimental relationship between strain and magnetic flux density, which could be applied to any material having the same characteristics. The experimental study showed that the incorporation of amorphous magnetoelastic wires in polymers and composites can upgrade their properties adding strain sensing capabilities. The alteration of the magnetostrictive wire’s magnetic permeability exhibits excellent response, analogous to strain for both methodologies that were tested (conduction, induction). In the case of conductive measurements (classical GMI effect), the negative magnetostrictive wires exhibit monotonous response to strain, unlike the positive magnetostrictive wires. Similarly in the case of inductive measurements, negative magnetostrictive wires again exhibit monotonous response to strain, unlike the positive magnetostrictive wires.

A future use of this methodology involves the incorporation of such wires to the inner or the outer surface of composite structure. Of course as noted, the direct incorporation of the wires in a composite material can cause defects. So there should be some chemical treatment of the surface of the wires in order to achieve better adhesion to the polymer matrix. The experimental results have showed that the electrically conductive silver paint exhibits great alteration of its electrical properties induced by strain. Thus it can be used as external coating on materials and structures in order to measure strain. The alteration of the electrical resistance and the electrical conductivity measured during the experiments exhibits linear response for a wide range of deformation while the sensitivity is much greater than the classical electric strain gauge. The results indicate that if the geometric characteristics in a fingerprint from such dye are kept constant, it is possible to obtain repeatable measurements. In order to optimize the measurements, it might be appropriate to apply the material in the form of thin film (silver flakes / polymer) with standardized dimensions and texture. The numerical simulation showed that under conditions, this material could help in recording the strain field of a construction and lead to identification of potential defaults.