Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τον σχεδιασμό ενός πρωτότυπου μετρητικού συστήματος που έχει ως εφαρμογή τον εντοπισμού απόστασης ενός αντικειμένου από ένα ζεύγος πομπού/δέκτη αισθητήρων με χρήση υπερήχων. Ο πομπός εκπέμπει ένα σήμα δημιουργούμενο από έναν μικροελεγκτή, το οποίο ανακλάται πάνω στο δοθέν αντικείμενο και επιστρέφει στον δέκτη, από τον οποίο έπειτα από σχετική μορφοποίηση οδηγείται πίσω στον μικροελεγκτή προς επεξεργασία. Στην συνέχεια τα δεδομένα οδηγούνται σε έναν προσωπικό υπολογιστή, όπου και μπορούν να υποστούν οποιαδήποτε επεξεργασία και να τα εκμεταλλευτούμε με οποιονδήποτε τρόπο. Γι αυτόν τον λόγο σχεδιάστηκε μια απλή και εύχρηστη διεπαφή για το χειρισμό του συστήματος, η χρήση του οποίου βρίσκει μεγάλη εφαρμογή σε μετρητικές διατάξεις στις οποίες είναι επιθυμητή η ταχύτητα και η ακρίβεια. / The goal of this diploma thesis is to design a prototypical measuring system that has application in the location of an object by using a pair of ultrasound transceivers. The transmitter emits a signal that is generated by a microcontroller, which is reflected on the given object, returning to the receiver, though which is modified so as to be processed by said microcontroller again. After that, the results are sent to a personal computer to be used in any way possible. For that very reason a simple, yet handy, interface is developed so as to control the system, which can be used in measuring arrays that demand great speed and precision.

Σκοπός: Επειδή η μεγαλύτερη συχνότητα της αναπτυξιακής δυσπλασίας του ισχίου στα θήλεα νεογνά μπορεί να οφείλεται σε ενδοκρινικούς παράγοντες και επίσης έχει βρεθεί ότι το κάπνισμα στη διάρκεια της εγκυμοσύνης προκαλεί ενδοκρινικές διαταραχές, αποφασίσαμε να μελετήσουμε την ανατομία του ισχίου σε νεογνά των οποίων οι μητέρες κάπνιζαν ή δεν κάπνιζαν στην διάρκεια της εγκυμοσύνης. Μεθοδολογία-σχεδιασμός μελέτης: Εξετάσθηκαν κλινικά και υπερηχογραφικά 2066 ισχία, εκ των οποίων 521 αρένων και 512 θηλέων νεογνών. Εξ’ αυτών 48 ήταν άρρενα και 53 θήλεα νεογνά, των οποίων οι μητέρες κάπνιζαν κατά την διάρκεια της εγκυμοσύνης. 93 Αποτελέσματα : Η μέση τιμή ±ΣΑ της γωνίας α στα άρρενα νεογνά των μητέρων οι οποίες δεν κάπνιζαν ήταν 62,3ο ± 5,1ο και των μητέρων οι οποίες κάπνιζαν κατά την εγκυμοσύνη ήταν 62,1ο ± 4,9ο (η διαφορά δεν είναι στατιστικά σημαντική). Στα θήλεα νεογνά των μη καπνιστριών και καπνιστριών μητέρων η α γωνία ήταν 60,7ο ± 5,3ο και 61,9ο ± 4,9ο αντίστοιχα (η διαφορά είναι σημαντική, p= 0,02). Η διαφορά μεταξύ αρρένων και θηλέων νεογνών, τα οποία γεννήθηκαν από μη καπνίστριες μητέρες είναι σημαντική (p<0,000001), ενώ δεν υπήρχε στατιστικώς σημαντική διαφορά μεταξύ αρρένων και θηλέων νεογνών που γεννήθηκαν από καπνίστριες μητέρες. Μεταξύ των θηλέων νεογνών, των οποίων οι μητέρες δεν ήταν καπνίστριες, ο αριθμός των νεογνών με ισχίο τύπου ΙΙα ή χειρότερου ήταν σημαντικά μεγαλύτερος από ότι μεταξύ εκείνων των θηλέων νεογνών, των οποίων οι μητέρες κάπνιζαν. Τα ευρήματα της κλινικής εξέτασης ήταν προς την ίδια κατεύθυνση με εκείνη των υπερηχογραφικών ευρημάτων, γεγονός το οποίο δείχνει ότι το μητρικό κάπνισμα κατά την εγκυμοσύνη προστατεύει το ισχίο στα θήλεα νεογνά. Συμπεράσματα: Το κάπνισμα της μητέρας κατά την διάρκεια της εγκυμοσύνης μειώνει την συχνότητα της υπερηχογραφικής και πιθανότατα της κλινικά διαπιστούμενης αναπτυξιακής δυσπλασίας του ισχίου στα θήλεα, αλλά όχι στα άρρενα νεογνά. Η προστασία του ισχίου η οποία προκαλείται από τον καπνό του τσιγάρου, μπορεί να έχει ενδοκρινική βάση. / Objective: Because the greater frequency of developmental dyplasia of the hip (DDH) in the female could have an endrocrine etiology and maternal smoking in pregnancy causes fetal endocrine disequilibrium, we investigated the anatomy of the hip in neonates of smoking (SM) and nonsmoking mothers (NSM). Study design: Clinical – sonographic examination was performed on 2066 hips of 521 male and 512 female neonates. In 48 male and 53 female neonates the mothers smoked during pregnancy. Results : The mean + SD a angle in the male neonates of the NSM was 62.3ο ± 5.1ο and of the SM 62.1ο ±4.9ο (NS). In the female neonates 95 of the NSM and the SM it was 60.7ο ±5.3ο and 61.9ο ±4.8ο, respectively (p=0.02). The difference between the male and the female neonates of the NSM is significant (p<0.000001), but there is no significant difference between the female neonates of the SM and the male neonates. Among the female neonates whose mothers were nonsmokers the number of those with hip Type IIa or worse was significantly greater that among those whose mothers were smokers. The clinical findings were in the same direction as those of the sonographic findings suggesting hip protection by maternal smoking in the female. Conclusions: Maternal smoking during pregnancy reduces the frequency of sonographic and possibly clinically detected DDH in female but not in male neonates. The tobacco – induced hip protection may have an endocrine basis.

H Διπλωματική Εργασία αυτή επικεντρώνεται στο θέμα της Υπερηχητικής Απεικόνισης του ανθρώπινού σώματος με την παρατήρηση της δεύτερης αρμονικής που πηγάζει από την μη-γραμμική αλληλεπίδραση των υπερήχων με τους ιστούς που φωτίζονται από ένα παλμικό σήμα με φέρουσα συχνότητα εκπομπής f0. Η επεξεργασία των σημάτων λήψης στην ζώνη γύρω από την συχνότητα 2f0 και η απεικόνισή τους με συμβατικό τρόπο (b-mode) επιτρέπει την επίτευξη καλλίτερης χωρητικής διακριτικής ικανότητας. Η μελέτη ακολουθεί δύο παράλληλες μεθόδους: α) την κυματική ανάλυση του φαινομένου σκέδασης από μια μη γραμμική σφαίρα των υπερηχητικών κυμάτων και β) την εκτέλεση πειραματικών μετρήσεων με χρήση συστήματος υπερηχογράφου που έχει "ανοικτή" αρχιτεκτονική. Τόσο τα θεωρητικά όσο και τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την χρησιμότητα της μεθόδου σαν μια εναλλακτική ιατρική απεικονιστική τεχνική. / The present Diploma Thesis is focused on the study of using 2nd harmonic ultrasound imaging of tissues as an alternate imaging technology in biomedical engineering.The principle of using of 2nd harmonic imaging is based on the illumination of a tissue medium with a frequency of f0 and then receive and prosess the signals with the same transducer at 2fo frequency. In order to derive specific conclusions this imaging problem is treated both theoreticaly and experimentally in the framework of the present Diploma Thesis.

In ultrasound contrast imaging, the discrimination between acoustic echoes from tissue and contrast microbubbles would have as a result the increase of the Contrast-to-Tissue-Ratio, improving therefore the quality of the imaging. The main idea is to differentiate the responses from those two kinds of signals based on their spectral content. The most important features of those sinusoidal signals are that they are very short in duration and than they are very likely to have many closely spaced frequency components. So, in order to achieve this target a novel Bayesian parametric spectral estimation technique has been originally designed by Yan Yan (PhD University of Edinburgh), that is supposed to have greater resolving capabilities than commonly used spectral estimation methods. The new technique uses a reversible jump Markov Chain Monte Carlo (rjMCMC) algorithm so as to identify the frequency components of a signal and it is called parametric because it assumes a model and then the problem of spectral estimation is reduced to that of estimating the parameters of the model. This new method has been initially tested with synthetic signals created in Matlab, so as to define on which parameters it depends and to extract mathematical equations that describe these dependences. And although some coarse comparisons with other techniques showed that the capabilities of this method were great, there was plenty room for improvements. Corrections in the Matlab code of this method, analysis of the code’s output in various ways so as to find which is superior, and the proposal of a new simpler model are just some of the changes that have evidently improved the method’s function. But the most important one is the completion of the amplitude estimation that was left unfinished in the past, as a complete spectral analysis implies both frequency and amplitude estimation. Now, signal reconstruction is possible and also, direct comparisons of the method’s resulting spectrum with the one of the Discrete Fourier Transform or of any other nonparametric (DFT-based) or parametric method can be made. The new version of the code has been applied apart from synthetic signals, to the real ones providing indeed information that was undisclosed in the past concerning the spectral content of those signals. However, further research is required, in order to take advantage of this information and in order to determine the exact performance and limitations of this method that remains still in experimental level. / Στην απεικόνιση με υπέρηχους όταν χρησιμοποιείται μέσο αντίθεσης, ο διαχωρισμός ανάμεσα στην ακουστική ηχώ που προέρχεται από τον ιστό και σε αυτή που προέρχεται από τo μέσο αντίθεσης όπως οι μικροφυσαλίδες, θα μπορούσε να έχει σαν αποτέλεσμα τη βελτίωση της ποιότητας της εικόνας. Η βασική ιδέα είναι να διαφοροποιηθούν οι αποκρίσεις από τα δύο διαφορετικά είδη σημάτων υπερηχοτομογραφίας με βάση το φασματικό τους περιεχόμενο. Τα κυριότερα χαρακτηριστικά αυτών των ημιτονοειδών σημάτων είναι ότι είναι πολύ μικρά σε χρονική διάρκεια και ότι είναι πολύ πιθανό να αποτελούνται από συχνοτικές συνιστώσες που βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους. Έτσι, για την επίτευξη αυτού του στόχου, μία καινούρια Μπαγιεσιανή παραμετρική μέθοδος για συχνοτική ανάλυση σχεδιάστηκε αρχικά από την Yan Yan (PhD Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου), η οποία θεωρητικά παρέχει μεγαλύτερη ακρίβεια από τις υπόλοιπες συμβατικές μεθόδους που ήδη χρησιμοποιούνται. Η τεχνική αυτή, κάνει χρήση ενός συγκεκριμένου αλγορίθμου (rjMCMC) έτσι ώστε να προσδιορίσει τις συχνοτικές συνιστώσες ενός σήματος και καλείται παραμετρική επειδή υποθέτει ένα αρχικό μοντέλο και στη συνέχεια «υποβιβάζει» το πρόβλημα της συχνοτικής ανάλυσης σε ένα πιο απλό, όπως αυτό του υπολογισμού των παραμέτρων του μοντέλου. Αρχικά, η μέθοδος δοκιμάστηκε σε συνθετικά σήματα, που δημιουργήθηκαν στο Matlab, ούτως ώστε να προσδιοριστούν οι παράμετροι από τις οποίες εξαρτάται και να εξαχθούν μαθηματικές εξισώσεις που να περιγράφουν τις εξαρτήσεις αυτές. Αν και από τις πρώτες συγκρίσεις με άλλες μεθόδους ήταν φανερό ότι η συγκεκριμένη έχει πολύ μεγάλες δυνατότητες, υπήρχαν πολλά περιθώρια βελτίωσης. Διορθώσεις στον κώδικα Matlab της μεθόδου, ανάλυση της εξόδου του με διάφορους τρόπους με σκοπό να προσδιοριστεί ο πιο αποτελεσματικός και η πρόταση ενός νέου πιο απλού μοντέλου είναι κάποιες από τις αλλαγές που αποδεδειγμένα βελτίωσαν τη λειτουργία της μεθόδου. Αλλά η πιο σημαντική αλλαγή είναι η ολοκλήρωση του κώδικα έτσι ώστε να περιλαμβάνει και προσδιορισμό των πλατών που αντιστοιχούν σε κάθε μια συχνότητα. Ο κώδικας για την εκτίμηση των πλατών αν και προϋπήρχε ως ένα βαθμό, δεν είχε ενσωματωθεί στον κυρίως κώδικα και έτσι η μέθοδος δεν μπορούσε να χαρακτηριστεί ολοκληρωμένη. Τώρα η ανακατασκευή σήματος είναι εφικτή καθώς και οι άμεσες συγκρίσεις του φάσματος της μεθόδου με το αντίστοιχο που προκύπτει από τον διακριτό μετασχηματισμό Fourier ή από άλλες μη παραμετρικές και παραμετρικές μεθόδους. Η καινούρια έκδοση του κώδικα εφαρμόστηκε, εκτός από τα συνθετικά σήματα, στα πραγματικά σήματα παρέχοντας πράγματι πληροφορίες που δεν είχαν φανερωθεί στο παρελθόν, σχετικά με το φασματικό περιεχόμενο των σημάτων αυτών. Ωστόσο, περαιτέρω έρευνα απαιτείται για να αξιοποιηθούν οι πληροφορίες αυτές αλλά και για να προσδιοριστούν οι ακριβείς περιορισμοί και οι επιδόσεις της μεθόδου που ακόμα και τώρα παραμένει σε πειραματικό στάδιο.

-- / Ultrasound imaging is one of the most important ways of imaging the human body. The mainly application of ultrasound is for the soft parts of the body, due to the properties of tissues in the propagation of the ultrasounds. The brain with its normal shape is an appropriate organ for ultrasound imaging. But intraoperative ultrasound imaging may be effective in tumor localization and it can be used throughout surgery to monitor the extent of tumor resection. The ability to locate precisely a deeply situated intracranial lesion intraoperatively can reduce the risk of damage to normal tissue, assist in determining the extent of tumor resection and reduce the time surgery. Intraoperative ultrasound holds great promise, but if it is to be used to its fullest extent, further modification of transducers must be developed. For this reason in this project we have done different simulations via the program Field II in order to evaluate the most appropriate transducers for the best depiction that can be achieved. We have to mention that those different experiments are based to the same code but with different specific parameters in every experiment.

Στη παρούσα Διπλωματική εργασία μελετήθηκε, προσομοιώθηκε, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα σύστημα εντοπισμού θέσης κινούμενου αντικειμένου στον τρισδιάστατο χώρο με την χρήση υπερήχων. Για τον εντοπισμό του αντικειμένου κατασκευάστηκε ένα σύστημα δεκτών και ένας πομπός υπερήχων, ο οποίος τοποθετείται στο κινούμενο αντικείμενο εκπέμποντας ένα σήμα χαμηλής αυτοσυσχέτισης με τη βοήθεια ενός μικροεπεξεργαστή. Επίσης αναπτύχθηκε λογισμικό με εύχρηστη διεπαφή, το οποίο χρησιμοποιώντας μοντέρνες θεωρίες ψηφιακής επεξεργασίας ηχητικών σημάτων, δίνει την δυνατότητα στον χρήστη να μελετήσει τις ιδιότητες των σημάτων και να αντιληφθεί την κίνηση του πομπού σε πραγματικό χρόνο. Ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε να είναι μία ασύρματη πένα η οποία θα λειτουργούσε ως 3D ποντίκι υπολογιστή. Επίσης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ενσωματωμένα συστήματα με σκοπό τον έλεγχο, την πλοήγηση ή ακόμα και στην επικοινωνία συνεργατικών ρομπότ. / In this Diploma Thesis was studied, simulated, designed and implemented an ultrasonic 3d positioning system of a moving object. In order to track the moving object, one base station and an ultrasonic transmitter were implemented. The latter was embedded in the object and produced a low autocorrelation ultrasonic signal by a microprocessor. Furthermore we developed software with a friendly user interface, which by using modern theories of digital signal processing, enables deep study of signal properties and the real-time monitoring of the trajectory of the moving object. Such a system could be a wireless pen used as a 3D computer mouse and it could be applied successfully in control and navigation embedded systems and even in communication of cooperative robots.

Combining good material properties and low weight, composites have become increasingly popular over the past decades among conventional, well-studied engineering materials. With their anisotropic nature and laminated structure allowing for enhanced design potential compared to metals, the widening use of composites in operating structures has turned the need for reliable inspection and condition assessment into an issue of great importance. Unlike metals, failing due to a propagating critical crack, the inhomogeneous and anisotropic nature of composites renders a more complicated behavior: composite structures bear the applied design loads during the entire service life, while damage accumulates. High damage tolerance is thus another important advantage over metals. The main source of damage in a composite is mechanical and/or environmental loading. Several failure mechanisms are encountered during service: matrix cracking, debonding of the fibre-matrix interface, delaminations and fibre breakage are common damage modes. Although this is their actual temporal sequence in general, propagation and coalescence of failure mechanisms are often simultaneous and therefore, damage in the composite can be regarded as the superposition of various failure modes. Damage accumulation, either localized or distributed throughout the volume of the composite, leads to degradation of the composite material mechanical properties. Matrix cracking is one of the major damage mechanisms encountered in FRP composites during service. Although seemingly less critical than delaminations and fibre breakage, propagation and coalescence of matrix cracks precede and promote more severe damage modes. Characteristic consequences of matrix-dominated failure are debondings at the trailing edge or between stiffening components and the skin, in wind turbine rotor blades, and also material degradation due to ingress of fluids, in composite pipes. However, since formation of matrix cracks begins at sub-critical loading stages, appropriate non-destructive tools should contribute to reliable damage assessment throughout service. Aiming to damage assessment in composite materials, non-destructive inspection (NDI) relished rapid and broad development. Acoustic emission and acousto-ultrasonics are listed among well-established NDI techniques. These acoustic methods are able to reflect the integrated damage state of a structure. The scope of this dissertation is NDI assessment of distributed damage in glass/epoxy (Gl/Ep) fibre-reinforced (FRP) composites, using acoustic emission and acousto-ultrasonics. Most research on the use of acoustic methods for non-destructive inspection is concentrated on the detection of localized defects, generated either during fabrication or in-service. A considerable amount of publications is also focused on the more complicated, distributed damage, e.g. due to fatigue. In most cases, however, acoustic emission and acousto-ultrasonics are not suggested as stand-alone tools, but are rather used to indicate qualitative trends or to complement other methods in the investigation of damage progression. Although a common outcome from this approach is that AE and AU signal parameters are, in general, correlated with damage accumulation, no robust models for remaining life or strength prediction have been proposed. Such NDI tools for the assessment of strength degradation, due to fatigue, in fibre-reinforced composites, exclusively via acoustic non-destructive measurements, are proposed in the present work. Reliable engineering models, based on acoustic emission and acousto-ultrasonic measurements, are established and validated in dedicated chapters. Residual strength prediction in composite specimens, featuring matrix cracking due to fatigue, is thus accomplished. This thesis is based on experimental work performed on an improved Gl/Ep composite, used in the manufacturing of new generation wind turbine rotor blades. The work included thorough material characterization as well as a dedicated experimental series aiming to understand, model and assess the axial, transverse and shear strength degradation of the unidirectional composite. Besides preliminary and benchmark testing, the exhaustive experimental schedule included 713 valid mechanical tests. From these 713 specimens, 222 were tested in tension/compression, 236 were subjected to constant-amplitude fatigue loading and 29 to spectrum loading. Another 217 specimens were used to investigate strength degradation due to constant-amplitude loading and 9 due to variable-amplitude loading. To execute this grand experimental plan, our 4-member team occupied 3 testing machines for 52 months. Although scrupulous indeed, the material characterization stage was just a prerequisite for the residual strength experimental task. In common practice, residual strength tests are a combination of a damaging process, e.g. fatigue loading, and a static test to failure. However, the aim of this dissertation was strength degradation assessment using non-destructive techniques. Residual strength tests were thus accompanied with acoustic emission monitoring, stiffness degradation measurements and acousto-ultrasonic scanning. This increased the duration of the experiments at least 4-fold, while rendering the procedure much more complicated. However, a unique database was formed, including data from all discrete steps. This extensive and combined information is a novel contribution in the field of non-destructive inspection. Acoustic emission monitoring and acousto-ultrasonic measurements were herein used to assess material strength degradation due to fatigue-induced matrix cracking. The goal was accomplished with remarkable success and reliable engineering AE and AU-based models were introduced. These validated schemes were based on the largest experimental database so far produced. Moreover, the proposed models were generalized, i.e. applicable in all damage states examined. As obvious this could seem for acousto-ultrasonics, this is not the case regarding acoustic emission measurements. Thus, from the acoustic emission side, this generalization renders an original contribution. AE-based models proved able to assess tensile and also compressive strength degradation. This is another novel achievement. In this thesis, the proposed AE models were superior to the respective descriptor-based AU schemes. However, although performance of the second, using novel descriptors, was more than adequate, wave propagation in the specimen under consideration was also studied. This area failed to produce new descriptors or schemes, however indicated damage-associated qualitative trends in the recorded signals. Several issues related to the acousto-ultrasonic experimental technique were underlined and the complexness of the problem depicted. The experiments presented herein were performed in the frame of EC research project "OPTIMAT BLADES: Reliable Optimal Use of Materials for Wind Turbine Rotor Blades", ENK6-CT-2001-00552. Partial funding was provided by the Greek Secretariat for Research and Technology, F.K. 6660. It is emphasized that no other partner of the OPTIMAT BLADES project, engaged in non-destructive condition assessment, managed to propose successful engineering NDT models. / Συνδυάζοντας καλές μηχανικές ιδιότητες με το χαμηλό τους βάρος, τα σύνθετα υλικά αποδεικνύονται εξαιρετικά δημοφιλή σε σχέση με τα συμβατικά, κατά κόρον χρησιμοποιούμενα υλικά. Με την ανισότροπη φύση και την πολύστρωτη δομή τους να προσδίδουν επιπλέον δυνατότητες στο σχεδιασμό σε σύγκριση με τα μέταλλα, η διευρυνόμενη χρήση συνθέτων υλικών σε κατασκευές καθιστά την αξιόπιστη επιθεώρηση και εκτίμηση της δομικής τους ακεραιότητας ένα θέμα καταλυτικής σημασίας. Σε αντίθεση με τα μεταλλικά υλικά, που αστοχούν εξ’ αιτίας της διάδοσης μιας κρίσιμης ρωγμής, η ανομοιογενής και ανισότροπη φύση των συνθέτων παρουσιάζει πολυπλοκότερη συμπεριφορά: οι κατασκευές από σύνθετα υλικά υπόκεινται στα επιβαλλόμενα φορτία καθ’ όλη την προβλεπόμενη διάρκεια λειτουργίας τους, οπότε και η βλάβη συσσωρεύεται. Η υψηλή ανοχή στη βλάβη αποτελεί ένα επιπλέον πλεονέκτημα σε σύγκριση με τα μέταλλα. Την κύρια αιτία δημιουργίας βλάβης σε ένα σύνθετο υλικό αποτελεί η μηχανική και/ή περιβαλλοντική φόρτιση. Διάφοροι μηχανισμοί αστοχίας απαντώνται κατά τη λειτουργία: η ρηγμάτωση της μήτρας, η αποκόλληση στη διαπιφάνεια ίνας-μήτρας, οι αποκολλήσεις διαδοχικών στρώσεων και η θραύση ινών αποτελούν συνήθεις τρόπους αστοχίας. Παρ’ όλο που αυτή είναι εν γένει και η χρονική τους ακολουθία, η διάδοση και η συνένωση τρόπων αστοχίας είναι συχνά ταυτόχρονες και επομένως η βλάβη σε ένα σύνθετο μπορεί να θεωρηθεί ως η συμβολή διαφόρων μηχανισμών αστοχίας. Η συσσώρευση της βλάβης, είτε τοπική είτε κατανεμημένη στον όγκο του συνθέτου, οδηγεί στην υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού. Η ρηγμάτωση της μήτρας αποτελεί έναν από τους κύριους μηχανισμούς αστοχίας που απαντώνται σε ινώδη σύνθετα υλικά κατά τη διάρκεια λειτουργίας τους. Αν και λιγότερο κρίσιμη φαινομενικά από τις αποκολλήσεις στρώσεων και τη θραύση ινών, η διάδοση και συνένωση ρωγμών στη μήτρα προηγείται και επισπεύδει σοβαρότερους τρόπους αστοχίας. Χαρακτηριστικά παραδείγματα συνεπειών της αστοχίας από ρηγμάτωση της μήτρας αποτελούν οι αποκολλήσεις των ενισχυτικών δοκίδων στα πτερύγια ανεμογεννητριών καθώς και η υποβάθμιση του υλικού λόγω εισροής υγρών, σε σωληνώσεις από σύνθετο υλικό. Ωστόσο, αφού η έναρξη δημιουργίας ρωγμών στη μήτρα παρατηρείται σε υποκρίσιμα επίπεδα φορτίου, κατάλληλα μη καταστροφικά εργαλεία αναμένονται να είναι αποτελεσματικά στην αξιόπιστη και έγκαιρη εκτίμηση της συσσώρευσης βλάβης κατά τη λειτουργία. Με σκοπό την εκτίμηση της βλάβης στα σύνθετα υλικά, η ανάπτυξη μη καταστροφικών μεθόδων ελέγχου (ΜΚΕ) ήταν ταχύτατη και ευρεία. Ανάμεσα στις συνήθεις μεθόδους ΜΚΕ συγκαταλέγονται και οι ακουστικές, όπως η ακουστική εκπομπή και οι ακουστο-υπέρηχοι. Οι μέθοδοι αυτές δύνανται να εκφράσουν τη γενικευμένη δομική ακεραιότητα της κατασκευής. Η διατριβή αυτή αποσκοπεί στην εκτίμηση, με μη καταστροφικούς τρόπους και συγκεκριμένα με τις παραπάνω ακουστικές μεθόδους, της κατανεμημένης βλάβης σε δοκίμια από εποξειδική ρητίνη ενισχυμένη με μακριές ίνες υάλου. Οι περισσότερες έρευνες πάνω στη χρήση ακουστικών μεθόδων ΜΚΕ εστιάζουν στον εντοπισμό τοπικών ατελειών, που δημιουργούνται είτε κατά την παραγωγική διαδικασία είτε κατά τη λειτουργία. Ένας σημαντικός αριθμός εργασιών επίσης αφορά την πολυπλοκότερη, κατανεμημένη βλάβη, παραδείγματος χάριν λόγω κόπωσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, όμως, η ακουστική εκπομπή και οι ακουστο-υπέρηχοι δεν συνιστώνται ως αυτόνομα εργαλεία, αλλά μάλλον χρησιμοποιούνται για να αναδείξουν ποιοτικές τάσεις ή να συμπληρώσουν άλλες μεθόδους στη διερεύνηση της συσσώρευσης της βλάβης. Αν και ένα σύνηθες συμπέρασμα της προσέγγισης αυτής είναι πως οι χαρακτηριστικές παράμετροι που προκύπτουν από τα σήματα ακουστικής εκπομπής και ακουστο-υπερήχων συσχετίζονται εν γένει με τη δομική ακεραιότητα, αξιόπιστα πρότυπα εκτίμησης εναπομένουσας αντοχής ή ζωής δεν έχουν προταθεί. Τέτοια εργαλεία ΜΚΕ για την πρόβλεψη της υποβάθμισης της αντοχής, λόγω κοπωτικής φόρτισης, σε ινώδη σύνθετα υλικά, χρησιμοποιώντας αποκλειστικά μετρήσεις από ακουστικές μεθόδους, προτείνονται στην παρούσα εργασία: αξιόπιστα μηχανιστικά πρότυπα, βασισμένα στις μετρήσεις ακουστικής εκπομπής και ακουστο-υπερήχων εμπεδώνονται και αξιολογούνται σε ειδικά αφιερωμένα κεφάλαια. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται εκτίμηση της εναπομένουσας αντοχής σε δοκίμια από σύνθετο υλικό με ρηγμάτωση της μήτρας λόγω κόπωσης. Το πειραματικό μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκε σε ένα βελτιωμένο σύνθετο από εποξειδική ρητίνη ενισχυμένη με μακριές ίνες υάλου, που χρησιμοποιείται στην παραγωγή πτερυγίων ανεμογεννητριών νέας γενιάς. Περιελάμβανε πλήρη χαρακτηρισμό του υλικού καθώς και μια στοχευμένη πειραματική σειρά με σκοπό την κατανόηση, προσομοίωση και εκτίμηση της υποβάθμισης της αξονικής, εγκάρσιας και διατμητικής αντοχής της μονοαξονικής στρώσης. Εκτός από τις προκαταρκτικές δοκιμές που απαιτήθηκαν, το εκτενές πειραματικό πρόγραμμα αποτελούταν από 713 πειράματα. Από αυτά, 222 ήταν σε στατικό εφελκυσμό/θλίψη, 236 σε κοπωτική φόρτιση σταθερού εύρους και 29 σε φασματική φόρτιση. Επιπλέον, 217 δοκίμια χρησιμοποιήθηκαν στη διερεύνηση της υποβάθμισης της αντοχής λόγω κοπωτικής φόρτισης σταθερού εύρους και 9 λόγω κοπωτικής φόρτισης μεταβαλλόμενου εύρους. Για την πραγματοποίηση των πειραμάτων, η τετραμελής ερευνητική μας ομάδα απασχόλησε 3 μηχανές δοκιμών για 52 μήνες. Η εκτεταμένη διαδικασία χαρακτηρισμού του υλικού ήταν απαραίτητη στο μετέπειτα έργο της διερεύνησης της εναπομένουσας αντοχής. Σύμφωνα με τη συνήθη πρακτική, τα πειράματα εναπομένουσας αντοχής αποτελούνται από μια διαδικασία εισαγωγής βλάβης, παραδείγματος χάριν μια κοπωτική φόρτιση, και μία στατική δοκιμή έως τη θραύση. Ωστόσο, ο σκοπός της συγκεκριμένης διατριβής ήταν η πρόβλεψη εναπομένουσας αντοχής με μη καταστροφικούς τρόπους. Τα πειράματα, λοιπόν, συνοδεύτηκαν από καταγραφή ακουστικής εκπομπής, μετρήσεις υποβάθμισης της δυσκαμψίας και δοκιμές ακουστο-υπερήχων. Αυτό οδήγησε σε αύξηση του πειραματικού χρόνου τουλάχιστον τετράκις, καθιστώντας ταυτόχρονα την ακολουθούμενη διαδικασία αρκετά πολυπλοκότερη. Δημιουργήθηκε όμως μια μοναδική στο είδος της βάση δεδομένων, περιλαμβάνοντας δεδομένα από όλα τα επιμέρους βήματα. Αυτή η ευρύτατη και συνδυασμένη πληροφορία αποτελεί καινοτόμο συνεισφορά στο πεδίο του μη καταστροφικού ελέγχου. Η ακουστική εκπομπή και οι ακουστο-υπέρηχοι χρησιμοποιήθηκαν, στην εργασία αυτή, στην εκτίμηση της υποβάθμισης της αντοχής του υλικού από ρηγμάτωση στη μήτρα λόγω κοπωτικής φόρτισης. Ο σκοπός επιτεύχθηκε με αξιοσημείωτη επιτυχία με την εισαγωγή αξιόπιστων εμπειρικών προτύπων βασισμένων σε μετρήσεις ακουστικής εκπομπής και ακουστο-υπερήχων. Επιπλέον, τα προτεινόμενα πρότυπα ήταν γενικευμένα, δηλαδή εφαρμόσιμα σε όλες τις επιμέρους περιπτώσεις βλάβης που εξετάστηκαν. Όσο προφανές αυτό φαίνεται στην περίπτωση των ακουστο-υπερήχων, για την ακουστική εκπομπή αποτελεί καινοτόμο συνεισφορά. Επιπρόσθετα, τα πρότυπα ακουστικής εκπομής αποδείχτηκαν ικανά να εκτιμήσουν τόσο την εφελκυστική όσο και τη θλιπτική εναπομένουσα αντοχή των δοκιμίων, πράγμα που επίσης αποτελεί καινοτομία. Στην παρούσα διατριβή, τα προτεινόμενα πρότυπα ακουστικής εκπομπής αποδείχτηκαν ανώτερα σε επίδοση από τα προερχόμενα από μετρήσεις ακουστο-υπερήχων. Ωστόσο, η επίδοση και των δεύτερων, χρησιμοποιώντας νέες χαρακτηριστικές παραμέτρους, ήταν πολύ ικανοποιητική. Στο πλαίσιο αυτό μελετήθηκε επίσης η κυματική διάδοση στο υπό εξέταση δοκίμιο. Από το πεδίο αυτό δεν προέκυψαν νέες παράμετροι ή πρότυπα, όμως από την ανάλυση των καταγεγραμμένων σημάτων διαπιστώθηκαν ποιοτικές τάσεις σχετικές με τη συσσωρευμένη βλάβη. Αρκετά θέματα υπογραμμίστηκαν αναφορικά με το πειραματικό σκέλος των δοκιμών ακουστο-υπερήχων και τονίστηκε η πολυπλοκότητα του προβλήματος. Οι δοκιμές που παρουσιάζονται εδώ πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος "OPTIMAT BLADES: Reliable Optimal Use of Materials for Wind Turbine Rotor Blades", ENK6-CT-2001-00552. Μερική χρηματοδότηση δόθηκε από τη Γενική Γραμματεία Έρευνας & Τεχνολογίας, Φ.Κ. 6660. Επισημαίνεται πως κανείς από τους συνεργάτες του προγράμματος οι οποίοι εφάρμοσαν τεχνικές ΜΚΕ, δεν κατόρθωσε να προτείνει οποιοδήποτε συναφές πρότυπο.

Τα βασικά προβλήματα που εμφανίζονται κατά τον μη καταστροφικό έλεγχο με την μέθοδο της ακουστικής εκπομπής (ΑΕ) είναι η απομόνωση του θορύβου, η αξιόπιστη επεξεργασία και αναγνώριση των σημάτων από πραγματικές αστοχίες του υλικού, ο προσδιορισμός της θέσης της αστοχίας και ο χαρακτηρισμός του τύπου και της κρισιμότητας της βλάβης στο υλικό. Κατά την διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διδακτορικής διατριβής δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στην μεθοδολογία εύρεσης της θέσης της πηγής ΑΕ δεδομένου ότι είναι γνωστοί οι χρόνοι άφιξης κάποιων χαρακτηριστικών των σημάτων που έχουν καταγραφεί στους αισθητήρες. Αναπτύχθηκαν ολοκληρωμένες μέθοδοι στις οποίες επεξεργάζονται τα σήματα των αισθητήρων για να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά που θα αποτελέσουν την βάση για τον υπολογισμό της θέσης της πηγής. Έχοντας εξασφαλίσει την αξιόπιστη μέθοδο προσδιορισμού των χρόνων άφιξης ορισμένων χαρακτηριστικών των σημάτων αναπτύχθηκαν μέθοδοι οι οποίοι χρησιμοποιούν όσο το δυνατό περισσότερη πληροφορία για βελτίωση της ακρίβειας εκτίμησης και μικρότερες απαιτήσεις σε επιπλέον γνώση δεδομένων. / In non-destructive control, acoustic emission signals are used for reliable construction monitoring and damage recognition. In this thesis several methods for the acoustic emission (AE) source location are developed and evaluated. Automatic estimation of minimum number and optimal placement of sensors are derived at the minimum sum of localization errors at randomly positioning AE sources. A new method was proposed and evaluated for the estimation of optimum sensors position in problems of AE localization in spherically and cylindrical structures. The particular methodology can be easily adjusted in different structures, and is of paramount important in case where the sensors must be permanently placed in a structure. Six source location methods were developed using a parametric model for the AE signal, genetic algorithm and simulated annealing. The magnitude of the Fast Fourier Transform or the position of the maximum peak of cross correlation function are extracted from the AE signals acquired by multiple sensors positioning at arbitrary locations in a plain or a cylindrical structure. The AE source is estimated at the minimum of the error function between the signal or the features derived from the acoustic signal, and the signal or features estimated from the AE signal model. Moreover, a novel source location method based on radial basis function network is presented and evaluated. The problem of AE localization in plane surfaces and cylindrical surfaces are solved in a close-form using the arrival-time differences using three or more sensors. A close-form solution for Acoustic-Emission source location (AESL) and material constant G is presented and evaluated in simulation experiments using the Time-of-Arrival (TOA) of several events detected in arbitrary positioning sensors in 3d-space in dispersive media. The normalized distances and the constant G are derived from the TOA at four arbitrary selected sensors using the events propagation velocities in a reference material. The actual AE position is derived using the multidimensional scaling method using the complete set of sensors. In simulation experiments, the advantages of the proposed method are demonstrated. Overcoming the most important weakness of the proposed method, the use of only four sensors for the estimation of the parameter G, an algorithm for successive estimation of the AESL is developed using the complete set of TOAs.An extension of the AESL method is developed using a successive approximation algorithm assuming a minimum of two known propagation velocities for the recorded events. It is proved that the proposed algorithm converges to the local minimum of the optimization function. Under few restrictions the proposed algorithm can be used to estimate the AESL even in case where the propagation velocities for all events are unknown.

Τα σύνθετα υλικά οργανικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες γυαλιού είναι μια κατηγορία υλικών που έχει υψηλό τεχνολογικό ενδιαφέρον τις τελευταίες δεκαετίες με πληθώρα εφαρμογών στην αεροπορική και διαστημική βιομηχανία, στην αυτοκινητοβιομηχανία, στη formula 1, στα σπορ και γενικότερα όπου οι απαιτήσεις για υψηλή επίδοση των υλικών συνδυάζονται με την απαίτηση για χαμηλό βάρος. Στην κατεύθυνση αυτή έχει συντελέσει και το διαρκώς μειούμενο κόστος παραγωγής των υλικών αυτών μέσω της χρήσης καινοτόμων τεχνικών. Η συνεχής εξέλιξη των υλικών αυτών οδηγεί σε βελτιωμένα υλικά ενισχυτικής και μητρικής φάσης αλλά και εντελώς καινούρια υλικά και προσεγγίσεις όπως είναι ενισχυτικές φάσεις στη νανοκλίμακα (nanofibers, nanotubes). Η εισαγωγή τέτοιων υλικών στη μήτρα συνθέτων υλικών αλλάζει τις μηχανικές και φυσικές τους ιδιότητες με τρόπο πολλές φορές ολοκληρωτικό. Είναι προφανές ότι η τεκμηριωμένη γνώση και ανάπτυξη μεθόδων μη καταστροφικού ελέγχου της δομικής ακεραιότητας αλλά και η γνώση της μηχανικής συμπεριφοράς μέσω της διαδικασίας εξέλιξης της βλάβης σε μια κατηγορία υλικών με τόσο σημαντικές εφαρμογές είναι ζητούμενο από την ερευνητική κοινότητα παγκοσμίως. Προς αυτήν την κατεύθυνση είναι και η συμβολή της παρούσας διατριβής. Μη καταστροφικές μέθοδοι και δοκιμές εφαρμόζονται εδώ και πολλά χρόνια σε σύνθετα υλικά οργανικής μήτρας με επιτυχία παρά την εγγενή ανομοιογένεια και ανισοτροπία που παρουσιάζουν. Ωστόσο πάντα παραμένει ισχυρή η ζήτηση για μεθόδους που θα βοηθήσουν προς την κατεύθυνση της αύξησης της αξιόπιστης χρήσης των υλικών αυτών μέσω της διαρκούς αποτίμησης και γνώσης της φέρουσας ικανότητάς τους. Η συσσώρευση της βλάβης σε σύνθετα υλικά οργανικής μήτρας που υπόκεινται σε μηχανική φόρτιση είναι ένα ζήτημα που έχει διερευνηθεί εκτενώς μέχρι σήμερα. Ωστόσο, η εισαγωγή ενίσχυσης (carbon nanotubes, CNT) στη μήτρα αλλάζει τους μηχανισμούς δημιουργίας και εξέλιξής της. Επίσης προστίθεται η δυνατότητα της μέτρησης μιας ιδιότητας που εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της εισαγωγής αυτής και η οποία είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ο βασικός λοιπόν σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη της χρήσης μη καταστροφικών ελέγχων κατά τη διάρκεια μηχανικών δοκιμών συσσώρευσης βλάβης στα υλικά αυτά, καθώς επίσης και η εισαγωγή της μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης τους ως ικανής μεθόδου παρακολούθησης και ποσοτικοποίησης της βλάβης αυτής. Η διερεύνηση της επιβελτίωσης των μηχανικών ιδιοτήτων λόγω της εισαγωγής των CNT στα υλικά αυτά μέσω της σύγκρισης με τις ιδιότητες που έχουν χωρίς την προσθήκη αυτή. Αναλυτικότερα οι στόχοι που επιδιώξαμε να πετύχουμε στα πλαίσια της διατριβής είναι οι ακόλουθοι: • Μελέτη της διεθνούς βιβλιογραφίας στα συγκεκριμένα θέματα. • Εκτέλεση ειδικά επιλεγμένων μηχανικών δοκιμών σε σύνθετα υλικά Glass/vinylester και Glass/vinylester με CNT (κυκλικά πειράματα φόρτισης – αποφόρτισης – επαναφόρτισης). • Χρήση εξελιγμένων μη καταστροφικών μεθόδων όπως η χρήση δεδομένων ταχύτητας διάδοσης υπερηχητικών ελαστικών κυμάτων (UT) και η ακουστική εκπομπή (AE) για την παρακολούθηση της βλάβης κατά τη διάρκεια των μηχανικών δοκιμών. • Διερεύνηση καταγραφών ηλεκτρικής αντίστασης ως δείκτη βλάβης του υλικού. • Δοκιμές θραυστομηχανικής συμπεριφοράς για την εκτίμηση της βελτίωσης των επιδόσεων του υλικού παρουσία των CNT. / Multi wall carbon nanotubes were used as an additive in the matrix of glass / vinylester composites, in order to improve their damage tolerance and provide a means for their damage assessment at any stage of their loading history. The improvement of the damage tolerance is expected to stem from the incorporation of an additional interfacial area that activates energy dissipation mechanisms such as interfacial sliding, fibre pull out and bridging as well as crack bifurcation and arrest; all these mechanisms are active at the nanoscale. The life monitoring is performed via the electrical resistance changes in the conductive carbon nanotube network within the composite matrix; this network follows any deformation of the composite providing real time strain monitoring and, at the same time, pinpoints all loci of failure through the local breach of the conductive path that lead to a monotonic increase in the overall resistance. The experimental findings verify both the increased damage tolerance of the doped composites and the reliable damage assessment of the composite at all stages of its loading history. Other Non - Destructive Techniques were utilized in order to detect and quantify the accumulating damage. Inverse scattering theory and phase velocity data were used in order to determine the elastic constants of the stifness matrix of the anisotropic material. Fracture toughness and fatigue life behaviour were investigated for both the material systems.

Κίνητρο της παρούσας διατριβής αποτέλεσε η αποτίμηση της δομικής ακεραιότητας κελυφοειδών κατασκευών από σύνθετα υλικά που παρουσιάζουν ανοχή στη βλάβη, με τη χρήση ακουστικών τεχνικών μη καταστροφικού ελέγχου. Στόχος ήταν η πειραματική και θεωρητική μελέτη επίδρασης της αστοχίας, που αναπτύσσεται σε μια πολύστρωτη μετά από φόρτιση, σε μετρήσιμα χαρακτηριστικά της κυματικής διάδοσης. Χωρίζεται σε δύο τμήματα, στη μοντελοποίηση της βλάβης και στη μελέτη επίδρασης αυτής στην κυματική διάδοση. Η έρευνα εστιάστηκε σε μορφές αστοχίας που συναντώνται σε πολύστρωτες υπό επίπεδη εντατική κατάσταση και συσσωρεύεται κατά το πάχος τους στη διάρκεια φόρτισης. Για την προσομοίωση της δημιουργήθηκαν διαφορετικά μηχανικά μοντέλα. Έμφαση δόθηκε στην προσέγγιση της συμπεριφοράς του υλικού υπό μονότονη στατική φόρτιση. Γι’ αυτό αναπτύχθηκε ένα φαινομενολογικό πρότυπο προοδευτικής αστοχίας για gl/ep πολύστρωτες. Η δομή του στηρίχθηκε σε τέσσερις πυλώνες. Πρώτον στην πειραματική διαδικασία χαρακτηρισμού μηχανικών ιδιοτήτων της μονοαξονικής στρώσης, ως το βασικό δομικό υλικό μιας πολύστρωτης. Ο ενδελεχής χαρακτηρισμός του υλικού σπάνια συναντάται σε τέτοια έκταση. Δεύτερον από τις δοκιμές προέκυψαν οι καταστατικές εξισώσεις της στρώσης. Η προσέγγιση της ανισότροπης μη – γραμμικότητας του υλικού έγινε με βηματική, γραμμική ανά βήμα, τασική ανάλυση στο επίπεδο της στρώσης χρησιμοποιώντας εφαπτομενική ελαστικότητα. Ο τρίτος πυλώνας αφορά στον προσδιορισμό έναρξης αστοχίας. Υιοθετήθηκαν κριτήρια ευρείας αποδοχής στο σχεδιασμό με σύνθετα υλικά, όπως π.χ. του Puck, των Shokrieh και Lessard κ.α., προτείνοντας και έναν νέο συνδυασμό τους. Τέλος, στρατηγικές υποβάθμισης των μηχανικών ιδιοτήτων της στρώσης προσομοίωσαν το αποτέλεσμα της συσσώρευσης αστοχίας μετά την έναρξή της. Το πρότυπο προοδευτικής αστοχίας ενσωματώθηκε σε στοιχείο κελύφους εμπορικού κώδικα πεπερασμένων στοιχείων. Ακολούθησε αξιολόγηση του, συγκρίνοντας τα αριθμητικά αποτελέσματα με πλειάδα μονοαξονικών και πρωτότυπων διαξονικών πειραμάτων. Η διαδικασία αυτή οδήγησε αφενός στην σημαντική για τον σχεδιασμό παρατήρηση εξάρτησης του μέτρου διάτμησης από το υπάρχον επίπεδο εντατικό πεδίο και αφετέρου στην εξέλιξη του προτύπου ώστε παρά τον περιορισμό των καταστατικών εξισώσεων που το διέπουν να μπορεί να προσομοιώσει τη διαστρωματική αποκόλληση. Έχοντας αναπτύξει τα εργαλεία περιγραφής της βλάβης, η διατριβή ολοκληρώνεται με τη μελέτη δομικής ακεραιότητας, χρησιμοποιώντας τη μη – καταστροφική τεχνική των ακουστό - υπέρηχων. Παρουσιάζεται το πειραματικό και θεωρητικό υπόβαθρο της διάδοσης τασικών κυμάτων σε κελύφη. Πρότυπα πολύστρωτων που υπέστησαν αριθμητική βλάβη υποβλήθηκαν σε αριθμητικές μη – καταστροφικές δοκιμές, καταλήγοντας σε συμπεράσματα όπως π.χ. τη μείωση της φασικής ταχύτητας με τη συσσώρευση βλάβης. / The motivation for the present research was the integrity estimation of shell – like structures made of damage tolerant composite materials, using acoustic non destructive testing techniques. An experimental and theoretical study was held aiming to investigate the influence of the damage, accumulated in a loaded laminate, in measurable wave propagation characteristics. The thesis is separated in two major parts. One described with detail the damage simulation model and the other the damage effects on the wave propagation and the wave mechanics. The study was focused on damage modes developed in composite laminates under in – plane complex stress fields due to several loading conditions and various mechanical models were developed for simulation purposes. Emphasis was given in the description of the material performance under monotonic static loading. Thus, a phenomenological progressive damage model for gl/ep multiaxial laminates was developed. This was structured based on four pillars. Primarily, as the laminate basic building block, the unidirectional layer was mechanically characterized. Such an extended experimental procedure can hardly be found. Secondly, the test results defined the ply constitutive equation laws. The highly anisotropic material non – linearity was approximated with piece – wise linear incremental layer by layer stress analysis using tangential elasticity. The third pillar regarded the damage initiation conditions. Thus, well defined criteria widely accepted in composite design were implemented i.e. Puck, Shokrieh and Lessard, etc. Finally post failure strategies were deployed, simulating material mechanical properties degradation emerging during damage accumulation. The progressive damage model was incorporated in a shell element of a commercial finite element code. An extended validation procedure took place comparing numerical results with several uniaxial and innovative biaxial test data. During this procedure the G12 shear modulus dependence on the developed plane stress field was thoroughly studied, resulting in recommendations for the designer and the selection of the appropriate modulus value. Additionally, the material model was further enhanced, taking into account incompatible failures with its constitutive equations e.g. delamination. Having developed several tools that described damage existence or accumulation, this dissertation was finished with the structural integrity study, using the acousto – ultrasonics non destructive testing technique. The experimental and theoretical background for stress wave propagation in waveguides was presented. Numerically damaged material models were additionally inspected with numerical non – destructive tests, resulting in specific conclusions for damage effect on measurable wave propagation characteristics, e.g. phase velocity reduction with damage growth.