Wrinkle characterization in composite materials using ultrasonic techniques

Larrañaga Valsero, Beatriz Maria (2020). Wrinkle characterization in composite materials using ultrasonic techniques. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65437.

Description

Title: Wrinkle characterization in composite materials using ultrasonic techniques
Author/s:
  • Larrañaga Valsero, Beatriz Maria
Contributor/s:
  • Güemes Gordo, Jesús Alfredo
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: March 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (UPM)
Department: Materiales y Producción Aeroespacial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Ensuring that wind-turbine blades don't unexpectedly fail in service is a priority for the wind power industry. A common manufacturing defect that has caused some wind-turbine blades to unexpectedly fail in service are the wrinkles that may appear in the composite laminates. Therefore, the risk of catastrophic failure will be reduced if wrinkles (also known as out-of-plane waviness) were detected and characterized in the manufacturing line of the factory. The mayor aim of this work is to compare the effectiveness of three different non destructive techniques for detecting and characterizing out-of-plane wrinkles in the typical glass-carbon hybrid laminates that are used nowadays for wind turbine blades. Five test sample were manufactured with laminated representative of those used in the wind-turbine industry. Two of them serve as pristine while the other three had internal out-of-plane waviness that are similar of those detected in actual wind turbine blades. The drop in the mechanical properties that is provoked by wrinkles was check with basic tensile and compression mechanical tests. The three different ultrasound techniques used are: full-matrix capture (FMC) with the total focusing method (TFM), a commercial phased-array instrument and an immersion test with a raster-scanned single-element focused probe. A one dimensional analytical ultrasonic-propagation model was used in order to determine the resonance frequency of the plies. That frequency is considered the ideal probe frequency for the ultrasonic tests. The ultrasonic images obtained from the inspection were used, when possible, to measure severity parameters of the wrinkle. Finally, this thesis concludes that not all of the techniques allowed full characterisation of out-of-plane waviness on the specimens. The FMC/TFM method gave better results whilst phased-array technology and single-element immersion testing presented more challenges. ----------RESUMEN---------- Asegurar que las palas de los aerogeneradores no fallan de forma inesperada en servicio es una prioridad para la industria de la energía eólica. Un defecto de fabricación bastante común y que ha causado que algunas palas de aerogenerador fallen inesperadamente en servicio son las arrugas que pueden aparecer en los laminados compuestos. Por lo tanto, el riesgo de fallo catastrófico se reduce si las arrugas (también conocidas como ondulaciones fuera del plano) se detectan y caracterizan en las líneas de fabricación de las fábricas. El objetivo principal de este trabajo es comparar la efectividad de tres técnicas de ensayos no destructivas diferentes a la hora de detectar y caracterizar las arrugas en los laminados híbridos de fibra de vidrio y carbono que se usan hoy en día para las palas de aerogenerador. Se han fabricado cinco muestras de prueba con laminados representativos de los utilizados en la industria. Dos de ellos sirven como referencia, mientras que los otros tres tienen ondulaciones internas que son similares a las detectadas en las palas reales de los aerogeneradores. La caída en las propiedades mecánicas causada por las arrugas se ha verificado gracias a la realización de ensayos mecánicos de tracción y compresión. Las tres técnicas de ultrasonidos utilizadas son: "full-matrix capture" (captura de matriz completa) con el "total focusing method" (método de enfoque total), un equipo comercial de "phased-array" y un ensayo por inmersión con un palpador de un solo elemento. Se ha usado un modelo analítico unidimensional de propagación ultrasónica para determinar la frecuencia de resonancia de las capas. Esa frecuencia se considera la frecuencia del palpador ideal con la que realizar los ensayos de ultrasonidos. Las imágenes ultrasónicas obtenidas tras las inspecciones se han utilizado, siempre que ha sido posible, para medir parámetros de severidad de la arruga. Por último, esta tesis concluye que no todas las técnicas de ultrasonidos permiten caracterizar de forma completa las arrugas en los laminados de material compuesto. El método FMC / TFM dio mejores resultados, mientras que la tecnología "phased-array" y las pruebas de inmersión presentan más complejidades.

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Item ID: 65437
DC Identifier: http://oa.upm.es/65437/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65437
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65437
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 17 Nov 2020 07:32
Last Modified: 17 Nov 2020 07:32
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