PL237256B1

PL237256B1 - Method for quantification of damages in laminar composites and the structure and method to produce the standard

Info

Publication number: PL237256B1
Application number: PL416452A
Authority: PL
Inventors: Przemysław Pastuszak
Original assignee: Politechnika Krakowska Im Tadeusza Kosciuszki
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2021-03-22
Also published as: PL416452A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób kwantyfikacji uszkodzeń w kompozytach warstwowych metodą porównawczą, z wykorzystaniem wzorca (1), stanowiącego próbkę struktury kompozytowej, z której wykonany jest badany obiekt oraz zawierającego modelowe uszkodzenia, a także konstrukcji i sposobu wytwarzania wzorca (1) dla sposobu kwantyfikacji uszkodzeń, zwłaszcza delaminacji. Sposób kwantyfikacji uszkodzeń w elementach zbudowanych z kompozytów warstwowych po1ega na porównaniu danych z badań metodami nieniszczącymi, za pomocą których lokalizuje się i określa potencjalne uszkodzenia oraz porównywaniu ich z danymi referencyjnymi, pochodzącymi z badania wzorca właściwego, zawierającego rzeczywiste modele uszkodzeń i dedykowanego danej serii elementów. W strukturze wzorca (1) dla sposobu kwantyfikacji uszkodzeń w elementach zbudowanych z kompozytów warstwowych wytwarza się model uszkodzenia o znanej lokalizacji, geometrii i właściwościach termo - fizycznych. Model uszkodzenia stanowi przestrzeń o znanej geometrii, powstałą po usunięciu wkładki z materiału nieadhezyjnego, korzystnie folii teflonowej, wypełnioną dowolnym medium o znanych właściwościach termo - fizycznych, korzystnie powietrzem.The subject of the application is a method of quantifying damage in layered composites using a comparative method, using standard (1), which is a sample of the composite structure from which the tested object is made and containing model damage, as well as the construction and method of producing standard (1) for the method of quantifying damage, especially delamination. The method of quantifying damage in elements made of layered composites involves comparing data from tests using non-destructive methods, by means of which potential damage is located and determined, and comparing them with reference data derived from testing the actual model, containing actual damage models and dedicated to a given series of elements. In the structure of pattern (1) for the method of quantifying damage in elements made of layered composites, a damage model with known location, geometry and thermo-physical properties is created. The damage model is a space of known geometry, created after removing the insert from a non-adhesive material, preferably Teflon foil, filled with any medium with known thermo-physical properties, preferably air.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Wynalazek dotyczy sposobu kwantyfikacji uszkodzeń w kompozytach warstwowych metodą porównawczą, z wykorzystaniem wzorca, stanowiącego próbkę struktury kompozytowej, z której wykonany jest badany obiekt oraz zawierającego modelowe uszkodzenia, a także konstrukcji i sposobu wytwarzania wzorca, dla sposobu kwantyfikacji uszkodzeń, zwłaszcza delaminacji.The invention relates to a method of quantifying damage in layered composites using a comparative method, using a pattern that is a sample of the composite structure from which the tested object is made and containing model damage, as well as the structure and method of producing the pattern, for the method of quantifying damage, especially delamination.

Dla prawidłowej interpretacji użytych w opisie wynalazku pojęć, zasadniczych dla przedmiotowego rozwiązania oraz w celu właściwego rozumienia jego istoty, pojęcie „kwantyfikacja” należy rozumieć jako ilościową analizę uszkodzeń występujących w elementach kompozytowych. „Wzorzec” to struktura kompozytowa wytworzona z takich samych materiałów co badane obiekty, w takich samych warunkach, co badane obiekty, zawierająca co najmniej jeden model uszkodzenia. „Model uszkodzenia” rozumiany jest jako przestrzeń o znanej geometrii wypełniona znanym medium, korzystnie powietrzem, znajdująca się wewnątrz wzorcowej struktury kompozytowej, mająca na celu odwzorowanie rzeczywistych uszkodzeń. „Wkładka” to nieadhezyjny materiał (zazwyczaj politetrafluoroetylen lub materiał znany pod nazwą handlową jako Teflon), umieszczany na etapie produkcji pomiędzy poszczególnymi warstwami indywidualnymi kompozytu w celu późniejszego usunięcia go, natomiast „wstawka” jest podobnie definiowana jako nieadhezyjny materiał (korzystnie PTFE) umieszczany na etapie produkcji pomiędzy poszczególnymi warstwami indywidualnymi kompozytu, który pozostaje w strukturze na stałe. „Kompozyty warstwowe” oznaczają całą grupę materiałów kompozytowych takich jak laminaty, hybrydy, struktury kanapkowe etc., złożonych z dowolnych warstw oraz wytworzone różnymi metodami produkcji.For the correct interpretation of the terms used in the description of the invention, essential for the solution in question and for the proper understanding of its essence, the term "quantification" should be understood as a quantitative analysis of damage occurring in composite elements. A "standard" is a composite structure made of the same materials as the test objects, under the same conditions as the test objects, containing at least one damage model. "Damage model" is understood to mean a space of known geometry filled with a known medium, preferably air, inside a standard composite structure, intended to reproduce the actual damage. An "insert" is a non-adhesive material (usually polytetrafluoroethylene or a material known under the trade name Teflon), placed at the production stage between individual layers of the composite for later removal, while "insert" is similarly defined as a non-adhesive material (preferably PTFE) placed on the the production stage between individual individual layers of the composite, which remains in the structure permanently. "Layered composites" means a whole group of composite materials, such as laminates, hybrids, sandwich structures, etc., composed of any layers and produced by various production methods.

Wyroby wykonane z kompozytów warstwowych znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach techniki, szczególnie tam gdzie niezbędna jest duża wytrzymałość przy małym ciężarze właściwym, głównie przy konstrukcjach powłokowych. Uzyskiwane, poprzez zastosowanie elementów wykonanych z kompozytów warstwowych, zmniejszenie masy przy wysokich parametrach wytrzymałościowych decyduje o zastosowaniach tych wyrobów w technice kosmicznej i lotniczej, przemyśle militarnym oraz komunikacyjnym.Products made of sandwich composites are used in many fields of technology, especially where high strength and low specific weight are required, mainly in shell structures. The reduction in weight with high strength parameters, achieved through the use of elements made of layered composites, determines the applications of these products in space and aviation technology, military and communication industries.

Cechą charakterystyczną dla warstwowych materiałów kompozytowych (zarówno dla obciążeń statycznych i zmęczeniowych) jest stopniowy rozwój zniszczenia od lokalnych mikrodefektów do finalnego globalnego zniszczenia konstrukcji (obiekt nie spełnia swoich funkcjonalnych zadań). Zniszczenia dzieli się generalnie na zniszczenia występujące wewnątrz warstwy indywidualnej laminatu (pękanie osnowy, włókien, oddzielenie włókien od osnowy) i zniszczenia występujące na granicy warstw (delaminacje). Materiały kompozytowe, w których wystąpiły wady i zniszczenia, charakteryzują się obniżoną sztywnością i wytrzymałością, zwłaszcza w miejscach koncentracji naprężeń, co skutkuje zagrożeniem globalnego zniszczenia konstrukcji.A characteristic feature of layered composite materials (both for static and fatigue loads) is the gradual development of damage from local microdefects to the final global failure of the structure (the object does not fulfill its functional tasks). The damage is generally divided into the damage occurring inside the individual layer of the laminate (fracture of the matrix, fibers, separation of the fibers from the matrix) and the damage occurring at the layer boundary (delamination). Composite materials with defects and damage are characterized by reduced stiffness and strength, especially in places of stress concentration, which results in the risk of global structural failure.

Delaminacja jest to rozwarstwianie poszczególnych warstw indywidualnych kompozytu i jego przyczyną mogą być obciążenia statyczne, dynamiczne i/lub zmęczeniowe, błędy technologiczne w procesie produkcji, brak preparacji włókien, powodujący złe przyleganie żywicy, nieodpowiednie warunki termiczne w trakcie utwardzania itd. Delaminacja może być zawarta wewnątrz oraz na brzegu swobodnym laminatu. Ponadto każdy z wymienionych przypadków występowania delaminacji może być pojedynczy lub wielokrotny, symetryczny bądź niesymetryczny względem grubości lub powierzchni struktury.Delamination is a delamination of individual layers of individual composite layers and its cause may be static, dynamic and / or fatigue loads, technological errors in the production process, lack of fiber preparation, causing poor adhesion of the resin, inadequate thermal conditions during curing, etc. Delamination may be contained inside and on the free edge of the laminate. Moreover, each of the mentioned instances of occurrence of delamination may be single or multiple, symmetrical or asymmetrical with respect to the thickness or surface of the structure.

Problemem, który ujawnia się podczas produkcji i eksploatacji elementów konstrukcyjnych wykonanych z materiałów kompozytowych jest brak niezawodnej i efektywnej kontroli jakości, bezpośrednio po wytworzeniu i/lub w trakcie eksploatacji.The problem that emerges during the production and operation of structural elements made of composite materials is the lack of reliable and effective quality control immediately after production and / or during operation.

Znane i stosowane są niszczące i nieniszczące metody badań elementów wykonanych z kompozytów warstwowych.Destructive and non-destructive testing methods for elements made of sandwich composites are known and applied.

Do metod niszczących zalicza się testy wytrzymałościowe takie jak rozciąganie, ściskanie, etc. przy różnych typach obciążenia np. statycznego, zmęczeniowego, etc. Do metod nieniszczących zalicza się testy ultradźwiękami, emisją akustyczną, badania przy pomocy termografii w podczerwieni, prądów wirowych oraz metodami penetracyjnymi i wizualnymi, etc. Przy obecnym stanie techniki, nie stanowi problemu określenie czy w badanych obiekcie wystąpił defekt, natomiast ilościowe jego opisanie stanowi obszar, w którym brakuje standardów, ustalonych zasad i procedur.Destructive methods include strength tests such as tensile, compression, etc. at various types of load, e.g. static, fatigue, etc. Non-destructive methods include ultrasound tests, acoustic emission tests, tests with infrared thermography, eddy currents and with penetration and visual methods, etc. With the current state of technology, it is not a problem to determine whether a defect has occurred in the tested facility, while its quantitative description is an area where there are no standards, established rules and procedures.

Ze względu na złożoność zjawisk, które występują podczas uszkodzenia warstwowych struktur kompozytowych, obecnie znane metody ich wykrywania i oceny wymagają kalibracji poprzez badanie wzorców struktur kompozytowych, w których zamodelowane są wybrane rodzaje uszkodzeń.Due to the complexity of the phenomena that occur during damage to layered composite structures, the currently known methods of their detection and evaluation require calibration by testing patterns of composite structures in which selected types of damage are modeled.

PL 237 256 B1PL 237 256 B1

Dodatkową trudnością jest fakt, iż właściwości termofizyczne elementów wykonanych z kompozytów warstwowych zależą od zastosowanej technologii produkcji oraz użytych materiałów składowych, dlatego dla zdobycia danych referencyjnych niezbędnych do skalibrowania metody pomiarowej należy używać wzorców z modelami uszkodzeń wytworzonych w tych samych warunkach oraz z użyciem tych samych materiałów składowych kompozytu (żywica, wzmocnienie, etc.).An additional difficulty is the fact that the thermophysical properties of elements made of layered composites depend on the production technology used and the constituent materials used, therefore, to obtain reference data necessary to calibrate the measurement method, templates with damage models produced under the same conditions and with the use of the same materials should be used. composite components (resin, reinforcement, etc.).

W celu wytworzenia modelu defektu o znanych parametrach stosowane są obecnie następujące rozwiązania polegające na:In order to produce a defect model with known parameters, the following solutions are currently used, consisting of:

- uderzeniu udarowym przy niskich prędkościach (znana energia uderzenia),- low speed impact (known impact energy),

- umiejscowieniu wkładki z folii aluminiowej lub PTFE (znana geometria),- the location of the aluminum foil or PTFE liner (known geometry),

- przecięciu wybranych warstw indywidualnych podczas laminacji (znana ilość przeciętych włókien),- intersection of selected individual layers during lamination (known number of cut fibers),

- wywierceniu otworów nieprzelotowych (znana geometria otworów).- drilling blind holes (known hole geometry).

Najczęściej występującą wadą, mającą największy wpływ na właściwości wytrzymałościowe i termiczne warstwowych struktur kompozytowych jest delaminacja. Wykrywanie, lokalizacja i ocena tego typu uszkodzenia jest bardzo efektywne dzięki zastosowaniu metod nieniszczących (np. aktywnej termografii w podczerwieni). Standardowe procedury metod nieniszczących wykorzystują do tego celu dane uzyskane z obszaru badanego elementu, który został uznany za nieuszkodzony oraz znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie uszkodzenia lub dane uzyskane z badania wzorca zawierającego modele uszkodzeń.The most common defect that has the greatest impact on the strength and thermal properties of layered composite structures is delamination. Detection, location and assessment of this type of damage is very effective thanks to the use of non-destructive methods (e.g. active infrared thermography). Standard procedures for non-destructive methods use for this purpose data obtained from the area of the test piece that has been found to be intact and is in the immediate vicinity of the damage or data obtained from a pattern containing damage models.

Generalnie, delaminacja jest modelowana w postaci nieadhezyjnej wkładki wykonanej z PTFE umiejscowionej pomiędzy poszczególnymi warstwami indywidualnymi podczas procesu produkcji (laminacji). Materiał imitujący uszkodzenie delaminacji zostaje w materiale na stałe, stając się kolejną fazą kompozytu warstwowego. Rozwiązanie takie wykazuje wiele zalet z punktu widzenia praktycznego wytworzenia wzorcowego uszkodzenia o znanych parametrach geometrycznych. Wytworzony w ten sposób model fizyczny musi być jednak interpretowany jako wtrącenie ponieważ właściwości termofizyczne (przewodnictwo cieplne, gęstość, ciepło właściwe itd.) różnią się od prawdziwej delaminacji, która w gruncie rzeczy jest bardzo niewielką przestrzenią wypełnioną powietrzem.Generally, delamination is modeled as a non-adhesive PTFE liner sandwiched between individual individual layers during the manufacturing process (lamination). The material imitating delamination damage stays in the material permanently, becoming the next phase of the layered composite. This solution has many advantages from the point of view of the practical production of a model damage with known geometrical parameters. The resulting physical model must, however, be interpreted as an inclusion because the thermophysical properties (thermal conductivity, density, specific heat, etc.) differ from true delamination, which is essentially a very small space filled with air.

Znane są rozwiązania sposobów tworzenia modeli uszkodzeń oraz badania uszkodzeń w warstwowych strukturach kompozytowych przedstawione w zagranicznych opisach patentowym o numerach: EP 2769834 oraz EP 2363271.There are known solutions for the methods of creating damage models and testing damage in layered composite structures, presented in foreign patent specifications: EP 2769834 and EP 2363271.

Z opisu patentowego EP 2769834 znany jest sposób tworzenia modeli delaminacji w strukturach kompozytowych. Model sztucznej delaminacja wg opisu EP 2769834, w postaci wstawki, która jest umieszczona na granicy poszczególnych warstw indywidualnych laminatu oraz składa się z dwóch lub więcej takich samych lub różnych warstw nieadhezyjnego materiału (zazwyczaj PTFE) i szczątkowej, nieznanej ilości uwięzionego powietrza pomiędzy poszczególnymi warstwami. Warstwy nieadhezyjnego materiału tworzące wstawkę są ze sobą połączone za pomocą nito-podobnych złączy z adhezyjnego materiału w celu uniknięcia płynięcia żywicy pomiędzy nimi podczas procesu utwardzania laminatu oraz przemieszczania się warstw PTFE względem siebie.EP 2769834 describes a method of creating delamination models in composite structures. Model of artificial delamination according to EP 2769834, in the form of an insert, which is placed at the boundary of individual layers of individual laminate and consists of two or more identical or different layers of non-adhesive material (usually PTFE) and residual, unknown amount of air trapped between the individual layers. The layers of non-adhesive material forming the insert are joined together by thread-like joints of adhesive material in order to avoid resin flowing between them during the curing process of the laminate and displacement of the PTFE layers relative to each other.

Rozwiązanie zawarte w opisie patentowym EP 2769834 posiada szereg ograniczeń, które znacznie obniżają jego przydatność w przemyśle. Wstawka złożona z kilku warstw nieadhezyjnego materiału, korzystnie PTFE oraz nieznanej, szczątkowej ilości powietrza, pozostaje w strukturze na stałe stając się jej kolejnym składnikiem o nieznanych właściwościach termofizycznych, diametralnie różniąc się od prawdziwej delaminacji wypełnionej powietrzem lub wtrącenia wypełnionego np. wodą. Skutkuje to otrzymaniem niedokładnych danych referencyjnych co w konsekwencji prowadzi do nieprawidłowej oceny defektów.The solution included in the patent description EP 2769834 has a number of limitations that significantly reduce its usefulness in the industry. An insert consisting of several layers of non-adhesive material, preferably PTFE and an unknown, residual amount of air, remains in the structure permanently, becoming its next component with unknown thermophysical properties, diametrically different from true delamination filled with air or inclusions filled with e.g. water. This results in inaccurate reference data, which in turn leads to an incorrect assessment of defects.

Wytworzenie omawianej wielowarstwowej wstawki wg opisu EP 2769834 jest bardziej skomplikowane i mniej powtarzalne w porównaniu do klasycznej jednowarstwowej wstawki. Ponadto, grubość wstawki wykonanej z warstw PTFE jest mniejsza niż grubość pojedynczej warstwy indywidualnej struktury kompozytowej co w pewnym stopniu ogranicza możliwość symulowania grubszych uszkodzeń.The production of the discussed multi-layer plug according to EP 2769834 is more complicated and less reproducible compared to the classic single-layer plug. Moreover, the thickness of the insert made of PTFE layers is smaller than the thickness of a single layer of an individual composite structure, which to some extent limits the possibility of simulating thicker damages.

Sposób pozycjonowania wstawek złożonych z warstw PTFE podczas produkcji struktury kompozytowej wg opisu EP 2769834 polega na ułożeniu pierwszych kilku nieutwardzonych warstw kompozytu, następnie na lokalnym podgrzaniu miejsca gdzie będzie ulokowana wstawka i umiejscowieniu jej tam, dołożeniu reszty warstw kompozytu do żądanej grubości struktury oraz ostatecznie utwardzeniu laminatu. Lokalna zmiana temperatury nieutwardzonego laminatu zwiększa kleistość żywicy, pozwalając uzyskać lepszą przyczepnością wstawki do warstw kompozytu, co w konsekwencji poprawiaThe method of positioning the inserts composed of PTFE layers during the production of the composite structure according to the description of EP 2769834 consists in placing the first few uncured composite layers, then local heating of the place where the insert will be located and placing it there, adding the rest of the composite layers to the desired thickness of the structure and finally hardening the laminate . The local temperature change of the uncured laminate increases the stickiness of the resin, allowing for better adhesion of the insert to the composite layers, which in turn improves

PL 237 256 B1 dokładność ulokowania jej, jednak z punktu widzenia procesu produkcyjnego opisana czynność zaburza jego przebieg, skutkując nieznaną oraz lokalną zmianą właściwości termofizycznych finalnej struktury kompozytowej. Negatywnym skutkiem zastosowanej techniki jest niepożądana koncentracja naprężeń wokół wzorcowego defektu. Zastosowana technika poprawia ale nie gwarantuje wymaganej pozycji wstawki po utwardzeniu laminatu.The accuracy of its location, however, from the point of view of the production process, the described activity disturbs its course, resulting in an unknown and local change in the thermophysical properties of the final composite structure. The negative effect of the technique used is the undesirable concentration of stresses around the pattern defect. The technique used improves but does not guarantee the required position of the insert after the laminate cures.

Z opisu patentowego EP 2363271 znany jest sposób tworzenia wielowarstwowego kompozytowego wzorca, zawierającego losowo rozmieszczone nieadhezyjne wstawki materiałowe pomiędzy poszczególnymi warstwami indywidualnymi, które odwzorowują uszkodzenia w strukturze kompozytowej. Rozwiązanie, będące przedmiotem patentu EP 2363271, wykazuje podobne ograniczenia do wcześniej opisanych rozwiązań, tj. wstawki materiałowe pozostają na stałe w badanym elemencie, co niedokładnie odwzorowuje prawdziwe uszkodzenia pod względem odmiennych właściwości termofizycznych. Ponadto, w tym przypadku losowe rozmieszczenie wstawek (np. natryskiwanie, posypywanie) całkowicie pozbawia informacji o ich dokładnej lokalizacji. Dodatkowym ograniczeniem wynalazku wg opisu EP 2363271 jest limit maksymalnej grubości wstawek do 10 mikrometrów oraz usytuowania ich wewnątrz laminatu w pewnej odległości od obrzeża komponentu, co eliminuje możliwość modelowania uszkodzeń rozpoczynających się od krawędzi struktury.The patent description EP 2363271 describes a method of creating a multi-layer composite pattern containing randomly distributed non-adhesive material inserts between individual individual layers that reflect the damage in the composite structure. The solution, which is the subject of patent EP 2363271, shows similar limitations to the previously described solutions, i.e. the material inserts remain permanently in the tested element, which inaccurately reflects the real damage in terms of different thermophysical properties. Moreover, in this case the random distribution of the inserts (e.g. spraying, sprinkling) completely deprives the information about their exact location. An additional limitation of the invention according to EP 2363271 is the limit of the maximum thickness of the inserts to 10 micrometers and their location inside the laminate at a certain distance from the edge of the component, which eliminates the possibility of modeling damage starting from the edge of the structure.

Potrzeba wzrostu dokładności metod badania delaminacji wymaga opracowania nowego modelu wzorcowych defektów, które w lepszym stopniu odwzorują zjawiska występujące podczas rzeczywistych uszkodzeń wielowarstwowych struktur kompozytowych, nie tylko z punktu widzenia ich geometrii ale także właściwości termofizycznych.The need to increase the accuracy of the delamination test methods requires the development of a new model of standard defects that better reflect the phenomena occurring during actual damage to multi-layer composite structures, not only from the point of view of their geometry, but also thermophysical properties.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu kwantyfikacji uszkodzeń, zwłaszcza delaminacji (tzn. ich lokalizacji, ilościowego opisu oraz predykcji zagrożenia dla funkcjonowania danej konstrukcji), w komponentach wytworzonych z kompozytów warstwowych. Opracowanie sposobu, polega na wskazaniu metody uzyskania danych referencyjnych charakteryzujących dany typ uszkodzenia poprzez badanie nowego rodzaju wzorców, dedykowanych danej serii elementów i porównaniu ich z danymi uzyskanymi podczas badania elementów wykonanych z kompozytów warstwowych. Opracowanie sposobu, który może być wykorzystany zarówno dla metod niszczących jak i nieniszczących. Celem wynalazku jest również opracowanie nowej konstrukcji wzorca dedykowanego danej serii komponentów z wielowarstwowych struktur kompozytowych oraz sposobu jego wytwarzania.The aim of the invention is to develop a method of quantifying damage, especially delamination (i.e. their location, quantitative description and prediction of the threat to the functioning of a given structure), in components made of sandwich composites. The development of the method consists in indicating the method of obtaining reference data characterizing a given type of damage by testing a new type of patterns dedicated to a given series of elements and comparing them with the data obtained during the examination of elements made of layered composites. Developing a method that can be used for both destructive and non-destructive methods. The aim of the invention is also to develop a new pattern design dedicated to a given series of components from multi-layer composite structures and the method of its production.

Istota sposobu kwantyfikacji uszkodzeń w elementach zbudowanych z kompozytów warstwowych, według wynalazku polega na porównaniu danych z badań metodami niszczącymi lub nieniszczącymi, za pomocą których lokalizuje się i określa potencjalne uszkodzenia oraz porównywaniu ich z danymi referencyjnymi pochodzącymi z badania wzorca właściwego, zawierającego rzeczywiste modele uszkodzeń i dedykowanego danej serii elementów. Badania testowanego elementu zbudowanego z kompozytów warstwowych oraz dedykowanemu mu właściwego wzorca, zawierającego rzeczywiste modele uszkodzeń, przeprowadza się metodami niszczącymi lub nieniszczącymi, korzystnie metodą termografii w podczerwieni.The essence of the method of quantifying damage in elements made of layered composites, according to the invention, consists in comparing the data from tests with destructive or non-destructive methods, by means of which the potential damage is located and determined, and comparing them with the reference data from the test of the proper standard, containing actual damage models and dedicated to a given series of elements. The tests of the tested element made of layered composites and the appropriate pattern dedicated to it, containing actual damage models, are carried out using destructive or non-destructive methods, preferably by infrared thermography.

Istotą konstrukcji wzorca dla sposobu kwantyfikacji uszkodzeń w elementach zbudowanych z kompozytów warstwowych, według wynalazku jest wytworzenie w strukturze wzorca, co najmniej jednego, modelu uszkodzenia o znanej lokalizacji, geometrii i właściwościach termofizycznych. Wzorzec dedykowany do sposobu kwantyfikacji uszkodzeń wykonany jest z materiałów i surowców identycznych jak element badany oraz wytworzony w tych samych warunkach technologicznych jak element badany. Wzorzec według wynalazku ma topologię kompozytu identyczną, jak element badany, co do ilości warstw oraz wzajemnego ich ułożenia (orientacji).The essence of the pattern construction for the method of quantifying damage in elements made of layered composites, according to the invention, is to create in the pattern structure at least one damage model with known location, geometry and thermophysical properties. The pattern dedicated to the method of quantifying the damage is made of materials and raw materials identical to the tested element and manufactured under the same technological conditions as the tested element. The pattern according to the invention has a topology of the composite identical to that of the tested element in terms of the number of layers and their mutual arrangement (orientation).

Model uszkodzenia utworzony w strukturze kompozytowej wzorca stanowi przestrzeń o znanej geometrii, powstałą po usunięciu wkładki z materiału nieadhezyjnego, korzystnie folii teflonowej, wypełnioną dowolnym medium o znanych właściwościach termofizycznych, korzystnie powietrzem. Model uszkodzenia, utworzony w strukturze kompozytowej, umiejscowiony jest na granicy dowolnych warstw indywidualnych, przy czym jego grubość musi być mniejsza od grubości kompozytu, co najmniej o grubość dwóch warstw, natomiast geometria przekroju modelu jest dowolna, korzystnie prostokątna lub okrągła.The damage model created in the composite structure of the pattern is a space of known geometry, created after removing the insert from a non-adhesive material, preferably a Teflon foil, filled with any medium with known thermophysical properties, preferably with air. The damage model, created in the composite structure, is located on the border of any individual layers, and its thickness must be smaller than the thickness of the composite, at least by the thickness of two layers, while the cross-sectional geometry of the model is arbitrary, preferably rectangular or round.

Wzorzec dla sposobu kwantyfikacji uszkodzeń w elementach zbudowanych z kompozytów warstwowych, zawiera jeden lub wiele modeli uszkodzenia usytuowanych jeden pod drugim, o takiej samej lub różnej geometrii, na granicy różnych lub tych samych warstw indywidualnych, usytuowanych z przesunięciem względem siebie, o takiej samej lub różnej geometrii (np. okrągłej), na granicy różnych lub tych samych warstw indywidualnych.The model for the method of quantifying damage in elements built of layered composites, includes one or more damage models located one below the other, with the same or different geometry, on the border of different or the same individual layers, located with an offset relative to each other, with the same or different geometry (e.g. round), at the boundary of different or the same individual layers.

PL 237 256 B1PL 237 256 B1

Istotą sposobu wytworzenia wzorca dla sposobu kwantyfikacji uszkodzeń w elementach zbudowanych z kompozytów warstwowych, według wynalazku jest umieszczenie w trakcie procesu produkcyjnego podczas formowania warstwowej struktury kompozytowej wzorca co najmniej jednej wkładki z materiału nieadhezyjnego, korzystnie z PTFE, o znanej geometrii pomiędzy określonymi warstwami indywidualnymi kompozytu w zdefiniowanym miejscu. Kolejny etap wytworzenia wzorca polega na poddaniu procesowi utwardzania przygotowanej struktury w warunkach technologicznych identycznych jak warunki technologiczne wytworzenia elementów, do badania których wzorzec jest dedykowany. Wkładka z materiału nieadhezyjnego zabezpieczona jest na każdej krawędzi wzorca okładzinami, korzystnie z tego samego materiału co wkładka, a szerokość okładzin jest większa niż wkładki z materiału nieadhezyjnego. Wkładka po zakończeniu procesu laminacji jest usuwana poprzez przyłożenie, równomiernie rozłożonej, siły Q do swobodnego końca wkładki z materiału nieadhezyjnego.The essence of the method of producing a pattern for the method of quantifying damage in elements made of layered composites, according to the invention, is to place during the production process during the formation of a composite layered structure a pattern of at least one non-adhesive material insert, preferably PTFE, with a known geometry between specific individual composite layers in defined place. The next stage of pattern production consists in subjecting the prepared structure to the hardening process in technological conditions identical to the technological conditions for producing the elements for which the pattern is dedicated. The liner of non-adhesive material is secured at each edge of the pattern with linings, preferably of the same material as the liner, and the width of the linings is greater than the liners of non-adhesive material. After the lamination process is completed, the liner is removed by applying a uniformly distributed force Q to the free end of the non-adhesive liner.

Podstawową zaletą zastąpienia klasycznego modelu delaminacji struktury kompozytowej w postaci wstawki teflonowej, modelem w postaci przestrzeni wypełnionej znanym medium, korzystnie powietrzem, jest wierne odtworzenie właściwości termofizycznych modelu uszkodzenia w stosunku do rzeczywistości (teflon ma odmienne przewodnictwo cieplne, gęstość, ciepło właściwe itd.) przez co uzyskuje się lepszy stopień odwzorowania zjawisk występujących podczas rzeczywistych uszkodzeń wielowarstwowych struktur kompozytowych.The main advantage of replacing the classic model of delamination of the composite structure in the form of a Teflon insert with a model in the form of a space filled with a known medium, preferably with air, is the faithful reproduction of the thermophysical properties of the damage model in relation to reality (Teflon has a different thermal conductivity, density, specific heat, etc.) by which results in a better degree of representation of the phenomena occurring during the actual failures of multilayer composite structures.

Przykład stanowią badania nieniszczące przy pomocy termografii w podczerwieni. Wytworzenie sztucznej delaminacji w postaci pustki powietrza zasadniczo zmienia przepływ ciepła przez omawiane struktury ze względu na różne właściwości termofizyczne poszczególnych faz (przewodność PTFE jest około dziesięciokrotnie większa od przewodności szczeliny powietrznej), co ma swoje odzwierciedlenie w zaburzonym rozkładzie temperatur na powierzchni badanych obiektów. Efekt prowadzonych badań termograficznych dzięki temu jest znacznie wyraźniejszy (np. kontrasty temperaturowe).An example is non-destructive testing with infrared thermography. The creation of artificial delamination in the form of an air void substantially changes the heat flow through the discussed structures due to different thermophysical properties of individual phases (PTFE conductivity is about ten times greater than the conductivity of the air gap), which is reflected in the disturbed temperature distribution on the surface of the tested objects. Thanks to this, the effect of thermographic research is much clearer (e.g. temperature contrasts).

Dodatkowo przedmiotowe rozwiązanie stwarza możliwości uzyskania dowolnego, a zarazem znanego kształtu przekroju poprzecznego modelu defektu, który może być umieszczony w dowolnym miejscu w strukturze kompozytowej. Zalety dedykowanego wzorca zasadniczo wpływają na uzyskanie wiarygodnych i zgodnych z rzeczywistością danych referencyjnych dzięki którym możliwa jest prawidłowa kwantyfikacja uszkodzeń w warstwowych kompozytach.In addition, the present solution makes it possible to obtain any and at the same time known shape of the cross-section of the defect model, which can be placed anywhere in the composite structure. The advantages of a dedicated template essentially affect the obtaining of reliable and accurate reference data, thanks to which it is possible to correctly quantify damage in layered composites.

Koszty wzorców z modelami defektów wytworzonych według wynalazku są niższe niż dotychczas stosowane rozwiązania ze względu na wykorzystanie tych samych materiałów i tego samego procesu produkcyjnego, co kontrolowanych elementów kompozytowych. Stwarza to możliwość efektywnego wykorzystania wynalazku w przemyśle.The costs of the patterns with the defect models produced according to the invention are lower than the previously used solutions due to the use of the same materials and the same production process as the controlled composite elements. This makes it possible to effectively use the invention in industry.

Sposób konstrukcji i wytwarzania wzorca wykorzystywanego w sposobie kwantyfikacji uszkodzeń w kompozytach warstwowych przedstawiony jest w przykładach wykonania uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat płaskiej struktury kompozytowej z przewężoną wkładką teflonową umieszczoną przelotowo oraz zabezpieczeniami przed nadlewkami żywicy. Fig. 2 przedstawia schemat płaskiej struktury kompozytowej z przewężoną wkładką teflonową umieszczoną nieprzelotowo oraz zabezpieczeniami przed nadlewkami żywicy. Fig. 3 przedstawia widok z góry (rzut B wg metody europejskiej) próbki pokazanej na fig. 1 natomiast fig. 4 - widok z góry (rzut B) próbki pokazanej na fig. 2. Fig. 5 przedstawia widok prawego boku (rzut C) próbek pokazanych na fig. 1 i fig. 2. Fig. 6 przedstawia schemat zakrzywionej struktury kompozytowej z przewężoną wkładką teflonową umieszczoną przelotowo wraz z zabezpieczeniami przed nadlewkami żywicy oraz oznaczoną płaszczyzną przekroju A-A, natomiast fig. 7 - schemat zakrzywionej struktury kompozytowej z przewężoną wkładką teflonową umieszczoną nieprzelotowo, z zabezpieczeniami przed nadlewkami żywicy oraz oznaczoną płaszczyzną przekroju A-A. Fig. 8 przedstawia widok z góry (rzut E) próbki pokazanej na fig. 6, natomiast fig. 9 - widok z góry (rzut E) próbki pokazanej na fig. 7. Fig. 10 przedstawia przekrój w płaszczyźnie A-A dla próbek pokazanych na fig. 6 i fig. 7. Fig. 11 przedstawia przekrój struktury kompozytowej z n-warstwami indywidualnymi i delaminacji o takiej samej geometrii ułożonych jedna pod drugą, na różnych głębokościach, natomiast fig. 12 - przekrój struktury kompozytowej z n-warstwami indywidualnymi i delaminacji o różnej geometrii ułożonych na granicy tych samych warstw indywidualnych. Fig. 13 przedstawia przekrój struktury kompozytowej z ośmioma warstwami indywidualnymi i siedmioma delaminacjami o różnej geometrii, ułożonymi jedna pod drugą, na różnych głębokościach (na granicy różnych warstw indywidualnych) i o tej samej szerokości (symetrycznie). Fig. 14 przedstawia przekrój struktury kompozytowej z n-warstwami indywidualnymi i delaminacjami, o takiej samej geometrii, ułożonych na różnych głębokościach (pomiędzy różnymi warstwami indywidualnymi) i szerokościach. Fig. 15 przedstawia przekrój struktury kompozytowej z n-warstwami indyThe method of construction and production of the pattern used in the method of quantifying damage in layered composites is shown in the examples of the embodiment shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of a flat composite structure with a narrowed through-teflon insert and protections against excess resin. Fig. 2 is a schematic representation of a flat composite structure with a narrowed teflon insert blindly positioned and provided with anti-chipping protections. Fig. 3 shows a top view (view B according to the European method) of the sample shown in fig. 1, while fig. 4 shows a top view (view B) of the sample shown in fig. 2. Fig. 5 shows a right side view (view C) of the samples shown in Fig. 1 and Fig. 2. Fig. 6 is a schematic diagram of a curved composite structure with a narrowed Teflon insert inserted through the protections against resin nodules and marked with the AA section plane, while Fig. 7 is a diagram of a curved composite structure with a narrowed Teflon insert. placed blind, with protection against excess resin and marked with the cross-section plane AA. Fig. 8 shows a top view (view E) of the sample shown in fig. 6, and fig. 9 a top view (view E) of the sample shown in fig. 7. Fig. 6 and Fig. 7. Fig. 11 shows a cross-section of a composite structure with n-individual layers and delamination of the same geometry arranged one below the other at different depths, while Fig. 12 - a cross-section of a composite structure with n-individual layers and delamination with different geometries arranged on the border of the same individual layers. Fig. 13 shows a cross-section of a composite structure with eight individual layers and seven delaminations of different geometry arranged one below the other at different depths (at the boundary of the different individual layers) and of the same width (symmetrically). Fig. 14 shows a cross-section of a composite structure with n-individual layers and delamination, with the same geometry, arranged at different depths (between different individual layers) and widths. Fig. 15 shows a cross-section of a composite structure with indium n-layers

PL 237 256 B1 widualnymi i delaminacji o okrągłym kształcie ułożonymi na różnych głębokościach (pomiędzy różnymi warstwami indywidualnymi) i szerokościach.And delamination of circular shape arranged at different depths (between different individual layers) and widths.

Wytworzenie co najmniej jednego modelu delaminacji (4) według wynalazku we wzorze struktury kompozytowej (1) przebiega analogicznie jak standardowy proces produkcji badanych komponentów z tym wyjątkiem, że podczas nakładania kolejnych warstw na siebie w żądanym momencie zostaje umiejscowiona nieadhezyjna wkładka (2a), korzystnie PTFE o wybranej geometrii, pomiędzy wybranymi warstwami indywidualnymi (1a, 1b, ..., 1 n) oraz o szerokości równej lub mniejszej od szerokości wzoru struktury - fig. 11 do fig. 15. W celu precyzyjnego ulokowania wkładki i uniemożliwienia jej późniejszych translacji i obrotów, przytwierdza się ją do formy np. za pomocą taśm klejących przystosowanych do wysokich temperatur występujących w trakcie procesu produkcyjnego.The production of at least one delamination model (4) according to the invention in the composite structure formula (1) is analogous to the standard production process of the tested components, except that during the application of successive layers, a non-adhesive insert (2a), preferably PTFE, is placed at the desired time. with a selected geometry, between the selected individual layers (1a, 1b, ..., 1n) and with a width equal to or smaller than the width of the structure pattern - Fig. 11 to Fig. 15. In order to precisely locate the insert and prevent its later translations and rotation, it is attached to the mold, e.g. with adhesive tapes adapted to high temperatures occurring during the production process.

Dodatkowo, krawędzie wzorca (1), gdzie wystają końce swobodne wkładki (2a), tzw. „wąsy”, czyli wystające paski folii PTFE ze struktury, które umożliwiają późniejsze usunięcie jej z wnętrza struktury, zabezpiecza się nakładkami (3), po to aby wkładka nie została przecięta przez nadlewki żywicy po utwardzeniu próbki, co uniemożliwiłoby wykonanie prawidłowego modelu delaminacji.Additionally, the edges of the pattern (1), where the free ends of the insert (2a) protrude, the so-called The "whiskers", i.e. protruding strips of PTFE film from the structure, which allow it to be removed from the inside of the structure, are secured with caps (3), so that the insert is not cut by excess resin after hardening the sample, which would make it impossible to perform the correct delamination model.

Proces utwardzenia wzorca przebiega analogiczne do procesu utwardzenia elementu badanego. W przygotowanym pakiecie podciśnieniowym wytwarza się próżnię, następnie strukturę wraz z workiem próżniowym wygrzewa się izotermicznie w czasie wymaganym do zajścia procesu utwardzania, finalnie, struktura zostaje ochłodzona do temperatury otoczenia. Parametry procesu (podciśnienie, nadciśnienie, temperaturę, czas, etc.) ustalane są dla konkretnego typu kompozytu i metody wytwarzania wg zaleceń producentów.The standard hardening process is analogous to the test piece hardening process. In the prepared vacuum package, a vacuum is created, then the structure with the vacuum bag is isothermally heated in the time required for the hardening process to take place, and finally, the structure is cooled to ambient temperature. The process parameters (negative pressure, overpressure, temperature, time, etc.) are determined for a specific type of composite and production method according to the manufacturers' recommendations.

Po utwardzeniu wzorca (1), razem z elementami poddawanymi kontroli wykonanymi z kompozytów warstwowych, następuje ostatni etap wytworzenia modelu defektu (4) polegający na usunięciu wkładki (2a), umieszczonej wcześniej we wzorcu struktury przed procesem utwardzania. W procesie usunięcia wkładki wykorzystywane jest zjawisko przewężenia podczas rozciągania (zmniejszenia przekroju poprzecznego dzięki odkształceniom zarówno sprężystym jak i plastycznym).After the pattern (1) is cured, the final step of generating the defect model (4) takes place, which consists in removing the insert (2a) previously placed in the pattern pattern before the curing process. In the process of removing the insert, the phenomenon of constriction during stretching is used (reduction of the cross-section due to both elastic and plastic deformations).

W celu wytworzenia modelu defektu (4) przykładane jest równomierne obciążenie Q do swobodnego końca wkładki (2a) powodując jej lokalne przewężenie (2b), które postępuje od krawędzi wzorca (1) w kierunku jego wnętrza. Zastosowanie nieodpowiedniego materiału na wkładkę, która musi być w ostatnim etapie usunięta, powodowałoby uszkodzenie zarówno próbki, jak i wkładki.In order to produce the defect model (4), a uniform load Q is applied to the free end of the insert (2a) causing its local constriction (2b) which extends from the edge of the pattern (1) towards its interior. The use of unsuitable material for the liner, which has to be removed in the last step, would damage both the specimen and the liner.

Usunięcie wkładki (2a) wykonywane jest manualnie lub przy pomocy maszyny wytrzymałościowej, przy czym aby ją mechanicznie usunąć należy zastosować specjalne uchwyty o dużej powierzchni styku oraz rozłożonym równomiernie obciążeniu. W przeciwnym wypadku wyciągana wkładka ulegnie gwałtownemu uszkodzeniu w miejscu koncentracji naprężeń, czyli w miejscu przyłożenia uchwytu. Przy powłokach dochodzi dodatkowo siła związana z tarciem o powierzchnię zakrzywioną, analogicznie jak w hamulcu taśmowym. Dzięki najniższemu współczynnikowi tarcia spośród wszystkich ciał stałych (od 0,05 do 0,09) materiału PTFE, z którego są zazwyczaj wykonywane wkładki do wytworzenia modelu defektu, wzrost siły nie stanowi przeszkody w wykonaniu pustki powietrza w tego typu strukturach.Removal of the insert (2a) is performed manually or with the help of a testing machine, but in order to mechanically remove it, special grips with a large contact surface and evenly distributed load should be used. Otherwise, the pull-out insert will be rapidly damaged in the place of stress concentration, i.e. in the place where the handle is applied. In the case of coatings, there is an additional force related to friction against the curved surface, similar to the one in the band brake. Due to the lowest coefficient of friction among all solids (from 0.05 to 0.09) of the PTFE material, from which the inserts for the production of the defect model are usually made, the increase in force does not prevent the creation of an air gap in such structures.

Odpowiednie, zgodne z wynalazkiem, wykonanie czynności dotyczących przygotowania wkładki i zabezpieczenia krawędzi wzorca przed uszkodzeniem wkładki przez nadlewki żywicy, umożliwia uzyskanie dla wzorcowej struktury kompozytowej o grubości 2 [mm] oraz dla poszczególnych rodza jów następujące wymiary defektów:Corresponding, in accordance with the invention, the activities related to the preparation of the insert and protection of the pattern edge against damage to the insert by resin puffs, allows obtaining the following dimensions of defects for the standard composite structure with a thickness of 2 [mm] and for individual types:

- w strukturze płytowej • grubość td • szerokość Wd • wysokość hd od 0,05 do 1,00 [mm] od 1 do 100 [mm] od 1 do 600 [mm]- in the plate structure • thickness td • width Wd • height hd from 0.05 to 1.00 [mm] from 1 to 100 [mm] from 1 to 600 [mm]

- w strukturze powłokowej • grubość td od 0,05 do 1,00 [mm] • szerokość Wd od 1 do 100 [mm] • wysokość hd od 1 do 500 [mm]- in the shell structure • thickness td from 0.05 to 1.00 [mm] • width Wd from 1 to 100 [mm] • height hd from 1 to 500 [mm]

Rozwiązanie będące przedmiotem wynalazku umożliwia wytworzenie wielu takich samych modeli uszkodzeń, na granicy różnych warstw indywidualnych ułożonych jedna pod drugą - fig. 11, różnych modeli uszkodzeń na granicy tej samej warstwy indywidualnej jedna pod drugą - fig. 12, różnych modeli uszkodzeń na granicy różnych warstw indywidualnych ułożonych jedna pod drugą - fig. 13, takich samych modeli uszkodzeń na granicy różnych warstw indywidualnych przesuniętych względem siebie - fig. 14, modeli defektów o wymaganym kształcie przekroju poprzecznego, np. okrągłego - fig. 15.The solution, which is the subject of the invention, makes it possible to produce many the same damage models at the boundary of different individual layers arranged one below the other - Fig. 11, different damage models at the border of the same individual layer one below the other - Fig. 12, different damage models at the boundary of different layers individual stacked one below the other - Fig. 13, the same damage models at the boundary of different individual layers shifted relative to each other - Fig. 14, defect models with the required cross-sectional shape, e.g. circular - Fig. 15.

PL 237 256 B1PL 237 256 B1

Ponadto jest możliwość wytworzenia modeli defektów nieprzelotowych, gdy rzeczywista pustka powietrza będzie mniejsza od szerokości kompozytu (hd < w_c) - fig. 2 oraz fig. 7.Moreover, it is possible to produce models of blind defects when the actual air void will be smaller than the width of the composite (hd <w _c ) - Fig. 2 and Fig. 7.

Wzorzec (1) do badań termograficznych wykonano z ośmiu warstw jednokierunkowych preimpregnatów szklanych Hexcel TVR 380 M12/R-glass o konfiguracji [0/90/0/90]s. Geometria wzorca jest przedstawiona na fig. 1. Nominalna grubość płyty tc wynosiła 2 [mm], natomiast szerokość Wc 100 [mm] i wysokość hc 300 [mm]. Nominalna objętość włókien to 60%.The standard (1) for thermographic tests was made of eight layers of Hexcel TVR 380 M12 / R-glass unidirectional glass prepregs with the configuration [0/90/0/90] p. The geometry of the pattern is shown in Fig. 1. The nominal plate thickness tc was 2 [mm], while the width Wc was 100 [mm] and the height hc 300 [mm]. The nominal fiber volume is 60%.

Model uszkodzenia (2b) został wykonany przy pomocy wkładki PTFE o grubości 0,1 [mm], szerokości 400 [mm] oraz wysokości 10 [mm]. Wkładka (2a) została umiejscowiona pomiędzy czwartą (1d) a piątą (1e) warstwą indywidualną wzorca podczas formowania pakietu próżniowego, na przygotowanej odpowiednio formie płytowej oraz przytwierdzona do niej przy pomocy taśmy mocującej. Na krawędziach warstw indywidualnych, w miejscu wkładki teflonowej wykonano zabezpieczenia (3), przed nadlewkami żywicy, z tego samego materiału co wkładka o wymiarach 20 [mm] na 30 [mm]. Całość pakietu została otoczona workiem próżniowym i umieszczona w autoklawie, po uprzedniej próbie szczelności.The damage model (2b) was made using a PTFE insert, 0.1 [mm] thick, 400 [mm] wide and 10 [mm] high. The insert (2a) was placed between the fourth (1d) and the fifth (1e) individual layer of the pattern during the forming of the vacuum pack, on a properly prepared plate mold and attached to it with a fastening tape. At the edges of the individual layers, in the place of the Teflon insert, there are protections (3), against resin overhangs, made of the same material as the insert with dimensions of 20 [mm] by 30 [mm]. The whole package was surrounded by a vacuum bag and placed in an autoclave, after a leak test.

Proces utwardzania w autoklawie był podzielony na trzy etapy. Pierwszy trwał 60 [min] i polegał na obniżeniu ciśnienia w pakiecie podciśnieniowym do 0,8 [bar], podniesienia ciśnienia wewnątrz autoklawu do 4,5 [bar] oraz podniesienia temperatury do 135 [°C] z prędkością 2 [°C] na minutę w celu zminimalizowania niepożądanych naprężeń resztkowych. Drugi etap trwał 120 [min] i miał na celu utrzymanie tych parametrów na stałym poziomie. Ostatni etap trwał 60 [min] i polegał na ochłodzeniu wzorca do temperatury pokojowej z prędkością 2 [°C] na minutę oraz wyrównaniu ciśnienia wewnątrz autoklawu, do ciśnienia atmosferycznego. Po całkowitym wyrównaniu temperatur i ciśnienia z otoczeniem, rozformowano pakiet podciśnieniowy, tj. zdjęto worek próżniowy oraz oddzielono próbkę od formy i wszelkich oddzielaczy niezbędnych przy procesie autoklawowym. Aby usunąć wkładkę (2a), utwierdzono wzorzec (1) i przyłożono stałą siłę Q do końca swobodnego wkładki. W wyniku przyłożenia stałej siły Q wytworzone zostało lokalne przewężenie wkładki (2b) przy krawędzi wzorca, które zaczęło postępować do wnętrza struktury aż do momentu gdy dotarło do przeciwległej krawędzi wzorca. Po całkowitym usunięciu wkładki, powstał model uszkodzenia w postaci objętości wypełnionej powietrzem o znanej geometrii.The curing process in the autoclave was divided into three stages. The first one lasted 60 [min] and consisted in reducing the pressure in the vacuum package to 0.8 [bar], increasing the pressure inside the autoclave to 4.5 [bar] and increasing the temperature to 135 [° C] at a rate of 2 [° C] per minute to minimize unwanted residual stresses. The second stage lasted 120 [min] and was aimed at keeping these parameters constant. The last stage lasted 60 [min] and consisted in cooling the standard to room temperature at the rate of 2 [° C] per minute and equalizing the pressure inside the autoclave to atmospheric pressure. After the temperature and pressure were completely equilibrated with the environment, the vacuum package was disassembled, i.e. the vacuum bag was removed and the sample was separated from the mold and all separators necessary for the autoclave process. To remove the insert (2a), the pattern (1) was fixed and a constant force Q was applied to the free end of the insert. As a result of applying a constant force Q, a local narrowing of the insert (2b) was created at the edge of the pattern, which began to progress towards the inside of the structure until it reached the opposite edge of the pattern. After the insert was completely removed, a model of the damage was created in the form of a volume filled with air of known geometry.

Do akwizycji sygnałów temperaturowych z powstałego wzorca wykorzystano modułowe stanowisko, do testów termograficznych, składające się z kamery termograficznej Flir A325, lampy halogenowej o mocy 1000 [W] razem ze sterownikiem, watomierza oraz komputera klasy PC. Rozdzielczość użytej do testów kamery na podczerwień wynosiła 320x240 pikseli, maksymalna częstotliwość rejestracji to 60 [Hz], czułość termiczna była równa 50 [mK], wbudowany obiektyw o ogniskowej 18 [mm] i polu widzenia 25°x18,8°. Wszystkie przeprowadzone pomiary były kontrolowane z poziomu komputera przy pomocy programu IR-NDT. Ten sam program został wykorzystany do dalszych analiz.For the acquisition of temperature signals from the created pattern, a modular thermographic test stand was used, consisting of a Flir A325 thermographic camera, a 1000 [W] halogen lamp with a controller, a wattmeter and a PC-class computer. The resolution of the infrared camera used for the tests was 320x240 pixels, the maximum recording frequency was 60 [Hz], the thermal sensitivity was 50 [mK], a built-in lens with a focal length of 18 [mm] and a field of view of 25 ° x18.8 °. All performed measurements were computer-controlled using the IR-NDT software. The same program was used for further analysis.

Zastosowano procedurę dwustronną, która polegała na ogrzaniu jednej powierzchni wzorca przy pomocy halogenu i obserwacji przy pomocy kamery termograficznej rozwoju temperatury zarówno podczas ogrzewania, jak i chłodzenia po jego przeciwnej stronie. Rozkład temperatury na powierzchni testowanego wzorca został zarejestrowany w postaci sekwencji dwuwymiarowych obrazów termicznych (termogramów) w regularnych odstępach czasowych, z których wyznaczono przebiegi temperatury w czasie dla obszaru uszkodzonego i nieuszkodzonego oraz przebieg kontrastu temperaturowego w czasie. Ostatecznie wyznaczono maksymalny kontrast temperaturowy i czas kiedy on występuje. Analogiczna procedura została przeprowadzona dla struktury kompozytowej obciążonej statycznie, w której wystąpiły uszkodzenia.A two-sided procedure was used, which consisted in heating one surface of the pattern with a halogen and observing the temperature development during both heating and cooling on its opposite side with a thermographic camera. The temperature distribution on the surface of the tested standard was recorded in the form of a sequence of two-dimensional thermal images (thermograms) at regular time intervals, from which the temperature courses were determined over time for the damaged and undamaged area and the temperature contrast course over time. Finally, the maximum temperature contrast and the time when it occurs were determined. A similar procedure was carried out for the composite structure statically loaded with damage.

Otrzymane dane z testów wzorca zostały wykorzystane do wyznaczenia obszarów na badanym elemencie kompozytowym, gdzie wystąpiły delaminacje oraz określeniu ich grubości.The obtained data from the pattern tests were used to determine the areas on the tested composite element where delamination occurred and to determine their thickness.

Badanie elementów kompozytowych wykonane w sposób opisany w przykładzie, wykazało pełną przydatność metody według wynalazku dla realizacji badań i kwantyfikacji wyrobów wykonanych z kompozytów warstwowych.The examination of composite elements carried out in the manner described in the example showed that the method according to the invention is fully suitable for the research and quantification of products made of layered composites.

Przykład zastosowania wynalazku stanowią badania nieniszczące przy pomocy termografii w podczerwieni. Wytworzenie sztucznej delaminacji w postaci pustki powietrza zasadniczo zmienia przepływ ciepła przez omawiane struktury ze względu na różne właściwości termofizyczne poszczególnych faz (przewodność cieplna PTFE jest około dziesięciokrotnie większa od przewodności szczeliny powietrznej), co ma swoje odzwierciedlenie w zaburzonym rozkładzie temperatur na powierzchni badanych obiektów. Efekt prowadzonych badań termograficznych dzięki temu jest znacznie wyraźniejszy i dokładniejszy (np. kontrasty temperaturowe).An example of the application of the invention is non-destructive testing with infrared thermography. The creation of an artificial delamination in the form of an air void substantially changes the heat flow through the discussed structures due to different thermophysical properties of individual phases (the thermal conductivity of PTFE is about ten times greater than that of the air gap), which is reflected in the disturbed temperature distribution on the surface of the tested objects. Thanks to this, the effect of thermographic research is much clearer and more precise (e.g. temperature contrasts).

PL 237 256 B1PL 237 256 B1

Wykaz oznaczeń na rysunku List of symbols in the drawing 1 1 wzorcowa struktura kompozytowa model composite structure

1a, 1b, .„, In.poszczególne warstwy kompozytu1a, 1b, ", etc. individual layers of the composite

2a 2b 3 4 2a 2b 3 4 usuwalna wkładka PTFE przewężona wkładka PTFE zabezpieczenia wkładki wytworzona przestrzeń powietrza removable PTFE liner narrowed PTFE liner protection of the liner created air space tc Wc hc tc Wc hc grubość struktury kompozytowej szerokość struktury kompozytowej wysokość struktury kompozytowej (wymiar gabarytowy) composite structure thickness the width of the composite structure composite structure height (overall dimensions) td Wd hd dd td Wd hd dd grubość delaminacji szerokość delaminacji wysokość delaminacji głębokość położenia delaminacji delamination thickness delamination width delamination height depth of the delamination position rc hg φd rc hg φd promień krzywizny struktury kompozytowej długość swobodnego końca wkładki PTFE średnica okrągłej wkładki PTFE radius of curvature of the composite structure free end length of PTFE liner diameter of circular PTFE liner Q L Q L siła niezbędna do wyciągnięcia wkładki długość folii PTFE force necessary to pull out the insert length of PTFE film

A, B, .„, n granica poszczególnych warstw indywidualnych φι, φ2, ..., φη orientacja i rodzaj warstwy indywidualnejA, B,. ", N boundary of individual individual layers φι, φ2, ..., φη orientation and type of the individual layer

Claims

1. Method of quantifying failures in layered composites, consisting in the use of non-destructive methods for locating and determining the potential failure, and comparing the data determining the potential failure with the reference data from the proper standard test, created specifically for the tested element, characterized in that the data obtained from testing the element made of the layered composite is compared with the reference data from the test of the proper standard, made of materials and raw materials identical to the tested element and manufactured under the same technological conditions as the tested element, and having the composite topology identical to the tested element as to the number of layers and their mutual arrangement and orientation, and having at least one damage model in the form of delamination, not disturbing the structure of any of the layers of a multilayer composite, with known location, geometry and thermal properties and on this basis, the damage to the composite structure is quantified.

Method for quantifying damage in layered composites according to claim 1, characterized in that the tests of the element made of layered composite and the standard specific to the tested element are performed by non-destructive methods, preferably by infrared thermography or by mechanical wave propagation.

3. The proper standard, dedicated to the tested element made of layered composite, for which the damage quantification method according to claim 1 is implemented, in the form of an element made of multilayer composite, characterized in that it contains at least one delamination model, which is a space with known geometry inside composite structure, on the border of any two layers, was formed after removing the insert (2a).

The pattern according to claim 3, characterized in that it comprises a plurality of damage models arranged one below the other with the same or different geometry, on the boundary of different individual or offset layers with the same or different geometry, on the boundary of different or different layers. the individual layers themselves.

The method of producing the actual standard according to claim 3, characterized in that at least one insert made of non-adhesive material, preferably PTFE, with known geometry

PL 237 256 Β1 is placed, during forming, between specific individual layers of the composite in a defined place and then subjected to the lamination process under technological conditions identical to the technological conditions for the production of elements for which the pattern is dedicated, and after the lamination process is completed, the insert is removed by applying force Q to the free end of the non-adhesive insert.

Method for producing a pattern according to claim 5, characterized in that the insert (2a) is secured on each edge of the pattern with linings (3), preferably of the same material as the insert 2a, and the width of the linings (3) is greater than the inserts (2a). ).