Τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται σε μία ευρεία γκάμα της παγκόσμιας βιομηχανίας, στην αεροναυπηγική, στις μεταφορές, στα αθλητικά είδη και πιο πρόσφατα στις υποδομές. Αναλόγως των εφαρμογών αξιοποιούνται και αντίστοιχης ποιότητας σύνθετα υλικά διότι το κύριο μέλημα είναι η μείωση του συνολικού κόστους της κατασκευής. Η μείωση του κόστους, προφανώς, δεν έρχεται από τα ίδια τα υλικά, αφού είναι πιο ακριβά από τα αντίστοιχα που χρησιμοποιούνται τώρα, αλλά από την αξιοποίηση τους σε ένα μακροχρόνιο σχέδιο. Για τους λόγους αυτούς γίνεται όλο ένα και μεγαλύτερη χρήση των σύνθετων υλικών. Παρόλα τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν τα σύνθετα υλικά εμφανίζουν πολύ σοβαρά προβλήματα. Ένα κύριο πρόβλημα το οποίο αφορά την χρήση τους είναι ο προσδιορισμός της αντοχής τους όταν υποβάλλονται σε διάφορες καταπονήσεις. Παρατηρείται λοιπόν η μεγάλη ανάγκη που υπάρχει για την μελέτη των σύνθετων υλικών και για το λόγο αυτό υπάρχουν εξειδικευμένα εργαστήρια στα οποία μελετώνται οι μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών. Όμως, πέραν των ενδογενών μηχανικών ιδιοτήτων που εμφανίζουν τα σύνθετα υλικά υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που χρίζουν μελέτης όπως για παράδειγμα η επίδραση της θερμοκρασίας, της υγρασίας κ.α. Τα σύνθετα υλικά που αξιοποιούνται είναι με ενίσχυση συνεχών ινών και με μήτρα από πολυμερές σε ψευδοϊσότροπη "quasi-isotropic" διαστρωμάτωση. Τα εκάστοτε δοκίμια υφίστανται εναλλασσόμενη φόρτιση μέχρις ότου εμφανίσουν αστοχία. Για την διαδικασία της κόπωσης ορίζονται πειραματικά οι τιμές της συχνότητας ταλάντωσης και της μέγιστης εφαρμοζόμενης τάσης. Όλα τα δοκίμια, κατά την διάρκεια της κόπωσης, υφίστανται μόνο τάσεις εφελκυσμού. Η μελέτη της θερμοκρασίας πραγματοποιήθηκε μέσω παθητικής θερμογραφίας. Η παθητική θερμογραφία εξετάζει τα υλικά και τις δομές που σε φυσιολογικές συνθήκες παρουσιάζουν διαφορετική (συχνά υψηλότερη) θερμοκρασία από το περιβάλλον. Η παθητική θερμογραφία είναι ευρέως χρησιμοποιούμενη σε πλήθος εφαρμογών της βιομηχανίας, της προληπτικής συντήρησης, ιατρικής, δασικής πυρανίχνευσης, γεωργίας, βιολογίας, ανίχνευσης αερίων. Σε όλες αυτές τις εφαρμογές, εντοπίζονται ασυνήθιστες θερμοκρασίες σε σχέση με το περιβάλλον και υποδεικνύουν σημεία που πιθανόν χρήζουν προσοχής. Στην παρούσα εργασία έγινε χρήση μίας πειραματικής διάταξης που είναι σε θέση να προκαλεί καταπόνηση στα σύνθετα υλικά και με τη βοήθεια υπέρυθρης κάμερας κατέστη δυνατή η απόκτηση θερμικών εικόνων των σύνθετων υλικών κατά την διάρκεια της καταπόνησης τους. Οι εικόνες αυτές αναπαριστούν την χωρική κατανομή της θερμοκρασίας του δείγματος και όχι μόνο της επιφάνειας. Οι θερμικές εικόνες υπέστησαν ειδική επεξεργασία για την εξαγωγή χαρακτηριστικών με σκοπό να οδηγήσουν σε συμπεράσματα ικανά να ερμηνεύουν την συμπεριφορά της θερμοκρασίας. Τελικά, μέσω της μελέτης της συμπεριφοράς της θερμοκρασίας των σύνθετων υλικών υφιστάμενα κόπωση έγινε προσπάθεια για την πρόβλεψη και ανίχνευση αστοχιών σε αυτά τα υλικά. / Composite materials are used in a wide range of global industry, such as aeronautics, transportation, and more recently in infrastructure. Composites with different quality are utilized because the main concern is to reduce the total cost of construction. Cost reduction is obviously not coming from the raw materials, as they are more expensive than those used now, but by exploiting them in a long-standing plan. The technological evolution and market requirements have led to an increasing demand of composite materials. Despite the advantages of composite materials they exhibit very serious problems. A fundamental problem concerning the engineering uses of composite materials is the determination of their resistance to combined states of cyclic stress (fatigue loading). Therefore, composite materials are needed to be studied and for this reason there are specialized laboratories studying their mechanical properties. Beyond the intrinsic mechanical properties of composites materials there are also other factors that need to be studied, for example the effect of temperature, humidity etc. In this project the behavior of the temperature of composites in fatigue loading is studied. The composite materials that are utilized are fiber reinforced plastics (FPR) in "quasi-isotropic" lay-up. Each sample is going under tensile constant stress cycling until experiencing failure. For the process of fatigue loading, experimental values of the oscillation frequency and the maximum applied stress are defined. The study of the temperature of composite materials was held by passive thermography. Passive thermography tests materials and structures which are naturally at different (often higher) temperature than ambient temperature. Important applications of passive thermography are in production, predictive maintenance, medicine, fire forest detection, building thermal efficiency survey programs, road traffic monitoring, agriculture and biology, medicine, detection of gas (by mean of absorbing tracer gas) and in nondestructive testing (NDT). In all these applications, abnormal temperature profiles indicate a potential problem that needs to be taken care of. In this project an experimental setup was developed which is capable of a) causing specific fatigue loading to the samples and b) obtaining thermal images of them during their fatigue loading. These images represent the spatial distribution of the sample temperature, not just the temperature of their surface. Also, these thermal images were specially processed for feature extraction in order to lead to conclusions capable of interpreting the behavior of temperature. Eventually, an effort was made to anticipate and discover failures in composites through the study of the behavior of the temperature that they develop.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας εναλλακτικής μεθόδου μη καταστροφικού ελέγχου (ΜΚΕ) για αγώγιμα υλικά, που συνδυάζει την ηλεκτρομαγνητική διέγερση - επαγωγική θέρμανση του υλικού και επιθεώρηση με μεταβατική υπέρυθρη θερμογραφία. Με ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο επάγονται δινορρεύματα εντός του εξεταζόμενου δοκιμίου. Η θερμότητα που παράγεται από τα δινορρεύματα, δημιουργεί θερμοκρασιακές διαφορές οι οποίες τείνουν να εξομαλυνθούν μέσω της θερμικής αγωγής. Κάποια ατέλεια στη δομή του υλικού, όπως είναι μια ρωγμή, θα επηρεάσει άμεσα ή έμμεσα τη ροή της θερμότητας και κατ’ επέκταση τη θερμοκρασιακή κατανομή στην επιφάνεια του υλικού. Χρησιμοποιώντας την υπέρυθρη θερμογραφία μπορούμε να απεικονίσουμε σε δύο διαστάσεις τη θερμοκρασιακή κατανομή της επιφάνειας του επιθεωρούμενου δοκιμίου και να εντοπίσουμε την ατέλεια αυτή. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση της αποτελεσματικότητας και της αξιοπιστίας της ηλεκτρομαγνητοθερμικής μεθόδου ως μεθόδου ΜΚΕ σε αγώγιμα υλικά. Αφού πραγματοποιηθεί αναλυτική περιγραφή του μοντέλου με το οποίο προσεγγίζονται τα ηλεκτρομαγνητικά - θερμικά φαινόμενα της ηλεκτρομαγνητικής διέγερσης - επαγωγικής θέρμανσης αγώγιμων υλικών, αναπτύσσεται υπολογιστικός κώδικας για την υλοποίηση του μοντέλου. Με τη χρήση του υπολογιστικού προγράμματος διερευνάται η σημασία και η σπουδαιότητα ενός μεγάλου πλήθους παραμέτρων που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της ηλεκτρομαγνητοθερμικής μεθόδου με απώτερο στόχο τη βελτιστοποίηση της. Στη συνέχεια ακολουθεί πειραματική επαλήθευση των αριθμητικών αποτελεσμάτων, όπου και αποδεικνύεται η αξιοπιστία των υπολογιστικών μοντέλων που χρησιμοποιήσαμε κατά την αριθμητική διερεύνηση της μεθόδου. Κατ’ αυτόν τον τρόπο επαληθεύεται η αποτελεσματικότητα της μεθόδου στον ΜΚΕ έλεγχο αγώγιμων υλικών. Το γενικό συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι η ηλεκτρομαγνητοθερμική μέθοδος αποτελεί μια αξιόπιστη μέθοδο για τον ΜΚΕ αγώγιμων υλικών. Απομένει πλέον να διερευνηθούν οι δυνατότητες της μεθόδου στο έπακρο, ώστε να αναδειχθεί το εύρος των εφαρμογών αυτής και να χρησιμοποιηθεί ενδεχομένως σε περιπτώσεις όπου μέχρι σήμερα κυριαρχούν άλλες διαγνωστικές μέθοδοι. / The subject matter of the present dissertation is the development of an alternative method for non-destructive inspection of conducting materials, which combines electromagnetic excitation – thermal conduction and inspection with transient infrared thermography. A time-varying magnetic field is used to induce eddy currents inside the conducting material under inspection. The Ohmic power generated in the material by the eddy currents creates temperature gradients which tend to be ironed out through thermal conduction. A defect in the material structure, such as a cracking, will affect the heat flow either directly or indirectly and hence the temperature distribution at the surface of the material. By employing infrared thermography, it is then possible to visualize in two-dimensional the temperature distribution over the excited surface of the tested specimen and detect the defect. The present dissertation focuses on computational and experimental investigation of the effectiveness and reliability of electromagnetic-thermal method as a method for non destructive inspection of conductive materials. After have been made a detailed description of the model which describes the electromagnetic-thermal phenomena of electromagnetic excitation - induction heating in conductive materials, it was developed a computer program based on the above model. Using the computer program we investigated the significance and the importance of a large number of parameters affecting the effectiveness of electromagnetic-thermal method, with a view to optimize the method. The experimental verification of numerical results, indicate the reliability of computational model used in the numerical investigation of the method and verifies the method’s effectiveness for non destructive inspection of conducting materials. The general conclusion is that the electromagnetic - thermal method is a reliable method for non destructive inspection of conductive materials. It remains the full potentials of the method to be investigated, in order to extend the range of applications and use the method in cases where today dominate other diagnostic methods.