A major concern affecting the efficient use of composite laminates in aerospace industry is the lack of understanding of the effect of low-velocity impact (LVI) damage on the structural integrity. This project aims to develop further knowledge of the response and damage mechanisms of composite laminates under LVI, and to explore the feasibility of assessing the internal impact damage with a visually inspectable parameter. The response and damage mechanisms of composite laminates under LVI have been investigated experimentally and numerically in this project. Various parameters including the laminates thickness, lay-up configuration, repeated impact, and curing temperature have been examined. The concept and the phenomena of delamination threshold load (DTL) have been assessed in details. It was found that DTL exists for composite laminates, but the determination of the DTL value is not straightforward. There is a suitable value of range between the impact energy and the laminates stiffness/thickness, if the sudden load drop phenomenon in the impact force history is used to detect the DTL value. It is suggested that the potential menace of the delamination initiation may be overestimated. The composite laminates tested in this project demonstrate good damage tolerance capacity due to the additional energy absorption mechanism following the delamination initiation. As a result, the current design philosophy for laminated composite structure might be too conservative and should be reassessed to improve the efficiency further. To explore the feasibility of linking the internal damage to a visually inspectable parameter, quasi-static indentation (QSI) tests have been carried out. The dent depth, as a visually inspectable parameter, has been carefully monitored and assessed in relation to the damage status of the composite laminates. It is proposed that the damage process of composite laminates can be divided into different phases based on the difference in the increasing rate of dent depth. Moreover, the internal damage has been examined under the optical microscope (OM) and the scanning electron microscope (SEM). Residual compressive strength of the damaged specimen has been measured using the compression-after-impact (CAI) test. The results further confirm the findings with regard to the overestimated potential menace of the delamination initiation and the proposed damage process assumption. The proposed damage process assumption has great potential to improve the efficiency and accuracy of both the analytical prediction and the structural health monitoring for damages in composite laminates under low-velocity impact.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第25240号 / 工博第5199号 / 新制||工||1992(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科建築学専攻 / (主査)准教授 倉田 真宏, 教授 西山 峰広, 教授 聲高 裕治 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DGAM

Yes / This paper investigates the strength and ductility of concrete confined by Glass/Epoxy ±55° Filament Wound Pipes (GFRP) under axial compression. A total of 24 cylinderical specimens were prepared with expansive and Portland cements, properly compacted and un-compacted for different composite fresh concrete matrix. Test results showed that compressive strength and axial deformation at failure of concrete confined with GFRP tubes increased by an average of 2.85 and 5.57 times these of unconfined concrete, respectively. Macro and micro analyses of GFRP pipes after failure were also investigated. Debonding, whitening, matrix/transfer cracking, delamination and splitting mechanisms were detected at failure, respectively. The experimental results were also employed to assess the reliability of design models available in the literature for confined concrete compressive strength.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:58:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EduardoCBC_DISSERT.pdf: 1858317 bytes, checksum: de7993f7a4a27b8a08342ddc43175aff (MD5) Previous issue date: 2012-12-14 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / The aim of this study is to create an artificial neural network (ANN) capable of modeling the transverse elasticity modulus (E2) of unidirectional composites. To that end, we used a dataset divided into two parts, one for training and the other for ANN testing. Three types of architectures from different networks were developed, one with only two inputs, one with three inputs and the third with mixed architecture combining an ANN with a model developed by Halpin-Tsai. After algorithm training, the results demonstrate that the use of ANNs is quite promising, given that when they were compared with those of the Halp?n-Tsai mathematical model, higher correlation coefficient values and lower root mean square values were observed / Este trabalho tem como principal objetivo a cria??o de uma arquitetura de rede neural artificial (RNA) capaz de modelar o m?dulo de elasticidade transversal (E2) de comp?sitos unidirecionais. Para tanto, se fez necess?rio o uso de um conjunto de dados que foi dividido em duas partes, uma parte sendo utilizada para o treinamento e a outra para teste das RNA. Para este trabalho se desenvolveu tr?s tipos de arquiteturas de rede diferentes uma delas possuindo somente duas entradas, a outra tr?s entradas e a ?ltima foi uma arquitetura mista que combina uma RNA com um modelo desenvolvido por Halpin-Tsai. Ap?s o treinamento dos algoritmos, os resultados demonstram que o uso de RNAs se mostra bastante promissor, j? que quando esses resultados foram comparados com o modelo matem?tico de Halpin-Tsai, apresentaram maiores valores de coeficiente de correla??o e menores valores de erro m?dio quadr?tico

Les constructeurs automobiles utilisent des aciers auto-trempant à haute résistance au bore manganèse (22MnB5) pour des questions de sécurité et environnementale. La mise en forme à chaud de tôles constituées de cet acier impose aux outillages des contraintes mécaniques sévères et un échauffement intense. L'intégration d'une fonction de cisaillage sous presse à suivre permet de répondre à des problématiques rentabilité de production, mais les lames sont confrontées à des problèmes similaires de durabilité. L'objectif de cette thèse est de comprendre la dégradation des outils de cisaillage à chaud afin de proposer des guides de choix de matériaux d'outil (X38CrMoV5-3 ou X70CrMoV5-2) et de paramètres du procédé. Cela requiert l'estimation des sollicitations mécaniques et thermiques dans la partie active de l'outil. La méthodologie développée passe par quatre étapes : une recherche bibliographique, des essais de cisaillage à chaud sur un module spécifique du pilote MEFISTO de l'ICA, le développement d'un modèle thermomécanique éléments finis de l'opération et des analyses des microstructures. Un état de l'art portant sur la définition de l'opération de découpage de tôles, sur les propriétés physiques et mécaniques du matériau de tôle et des lames, le comportement à l'interface tôle/outil et sur les techniques permettant de simuler le découpage a été proposé. Des essais sur le module de découpage ont permis d'accéder à des résultats d'effort et des observations des endommagements des lames de cisaillage. Ces informations sont utilisées pour valider le modèle de calcul éléments finis. Ce modèle montre que les contraintes mécaniques sont locales, intenses et se déplacent dans l'arête de coupe. De plus, l'échauffement de l'outil engendre une température de surface proche des températures de revenu des matériaux d'outil. La comparaison des résultats de simulation numérique et de l'étude expérimentale permettent de comprendre le lien entre les dégradations observées et les sollicitations thermomécaniques. / Car manufacturers are building using a self-hardening high strength boron steel (22MnB5) for safety and environmental concerns. But the shaping of sheets made of these kind of steel imposes on tools severe mechanical stresses and strong thermal transfer. The integration of a blanking function in transfer presses is a response to reach high profitability, but blades are subjected to the same durability problems. The aim of this thesis is to understand how hot blanking tools are wearing in order to give to manufacturers tool material guidelines (X38CrMoV5-3 or X70CrMoV5-2) and process parameters guidelines. To do so, an estimation of mechanical stresses and thermal solicitation is required. The methodology is based on four steps: literature search, hot blanking trials on a specific module of ICA laboratory industrial pilot MEFISTO, finite element simulations of the operation, and microstructural analysis. The state of art is focused on the description of the operation, the physical and mechanical properties of the blank material and tools materials, the blank/tool interface behavior, and the techniques used simulate the hot blanking process. Trials on the hot blanking module provided blanking force and observations of worn blades. These informations are needed to validate the finite element model. This model shows that mechanical stresses are local, intense and slides in the blade cutting edge. Moreover, the blade heating generates a surface temperature close to tool steel tempering temperature. Experimental results compared to numerical ones allow to understand the link between thermo-mechanical stresses and how the damage occurs.

In this master thesis, the accuracy of the crack depth meter RMG 4015 was evaluated for different types of cracks with various damage mechanisms. In total, 61 crack depth measurements were conducted with the crack depth meter on 56 cracks which were located in the 23 different test pieces supplied by Kiwa. The measured crack depths were then compared to the true crack depths, which were determined by cutting the test pieces and measuring directly on the cross-sections of the cracks using a light optical microscope. The results of the comparison showed that the RMG 4015, which uses potential drop techniques, was very accurate at measuring both strain induced and alkaline stress corrosion cracks. However, the results also showed that the crack depth meter underestimates chloride induced stress corrosion cracks, corrosion fatigue cracks and stress corrosion cracks/hydrogen embrittlement cracks at varying degrees. Therefore, the main recommendation for Kiwa is to switch the RMG 4015 to a crack depth meter that uses ultrasonic techniques instead. The master thesis also explored the possibilities to improve an FE model produced by Kiwa in a previous project which involved an analysis of a cracked component. The present crack depth measure program included a test piece from this component. The stress distribution in the original model did not represent the cracks found in the real structure and it was suspected to be the result of some boundary conditions not corresponding to those acting in the actual pipe system. Some adjustments to the boundary conditions and contact regions were made and a new improved model with a better representing stress distribution was found. / I detta examensarbete utvärderades noggrannheten hos sprickdjupsmätaren RMG 4015 för olika typer av sprickor med olika skademekanismer. Totalt utfördes 61 sprickdjupsmätningar med sprickdjupsmätaren på 56 sprickor i 23 olika provbitar som tillhandahölls av Kiwa. De uppmätta sprickdjupen jämfördes sedan med de verkliga sprickdjupen, som bestämdes genom att provbitarna skars upp och mätningarna utfördes direkt på sprickornas tvärsnitt med hjälp av ett optiskt ljusmikroskop. Resultaten av jämförelsen visade att RMG 4015, som använder sig av potentialfallstekniker, var mycket noggrann vid mätning av både töjningsinducerade och alkaliska spänningskorrosionssprickor. Resultaten visade dock också att sprickdjupsmätaren underskattar kloridinducerade spänningskorrosionssprickor, korrosionsutmattningssprickor och spänningskorrosionssprickor/väteförsprödningssprickor i varierande grad. Den viktigaste rekommendationen till Kiwa är därför att ersätta RMG 4015 med en sprickdjupsmätare som istället använder ultraljudsteknik. I examensarbetet undersöktes också möjligheterna att förbättra en FE-modell som Kiwa tagit fram i ett tidigare projekt som omfattade en analys av en sprucken komponent. En provbit från denna komponent ingick i det nuvarande programmet för sprickdjupsmätning. Spänningsfördelningen i den ursprungliga modellen representerade inte de sprickor som fanns i den verkliga strukturen och det misstänktes vara resultatet av vissa randvillkor som inte motsvarade de som verkar i det verkliga rörsystemet. Vissa justeringar av randvillkoren och kontaktytorna gjordes, och en ny förbättrad modell med en bättre representativ spänningsfördelning hittades.

L'amiante est un matériau connu et utilisé par l'homme depuis près de 5000 ans, sa définition commerciale comprend six différents types de minéraux fibreux. En raison de leurs nombreuses propriétés thermiques et mécaniques, l'amiante a été exploité intensivement pour un usage industriel au cours du siècle dernier. Il est maintenant bien reconnu que l'exposition à l'amiante peut causer des dommages sévères pour la santé, son usage et exploitation sont donc bannis dans de nombreux pays et son exposition est strictement réglementée. L'application de ces divers règlements nécessite des méthodes d'analyse pour les soutenir. La microscopie électronique en transmission (MET) est l'outil le plus puissant et efficace pour l'analyse des fibres d'amiante. Des erreurs d’identifications causées par l’endommagement des fibres d'amiante peuvent cependant se produire, cette problématique a été étudiée en profondeur. Des fibres d'amiante amosite ont été initialement étudiées pour évaluer les dommages causés par le faisceau d'électrons du microscope électronique à transmission. Puisque les rapports d'intensité de rayons X élémentaires, obtenus par spectroscopie des rayons X en dispersion des énergies (EDS), sont couramment utilisés pour l'identification de l'amiante, l'impact de l’endommagement sur ces rapports a été mesuré. Il a été déterminé que le rapport magnésium/silicium était le plus sensible à l’endommagement causé par le faisceau d'électrons. Différents essais ont montré que la plupart des fibres ont un seuil de densité de courant au-dessus duquel la composition chimique de la fibre est modifiée. La valeur de ce seuil de densité de courant varie en fonction de la fibre. L'existence d'une valeur seuil de dose électronique a également été démontrée. Cette valeur est dépendante de la densité de courant utilisée, et peut être augmentée lorsqu’une période de récupération entre les expositions au faisceau d'électrons est octroyée. Cette étude a également permis d’établir que le courant du faisceau d'électrons est directement lié au taux d’endommagement au-dessus d'une densité de courant de 165 A/cm2. Des lignes directrices ont été établies afin de veiller à ce que les fibres d'amosite ne soient pas endommagées pendant l’analyse. Il a été déterminé que l'analyse doit être effectuée en dessous d'une densité de courant de 100 A/cm2. Dans la deuxième partie de cette étude, l'objectif principal était d'évaluer si la température est un facteur influençant l’endommagement des fibres d'amiante et, si oui, comment il peut être utilisé pour minimiser cet endommagement. Il a été constaté que l'abaissement de la température jusqu’à 123 K peut inhiber, pendant un temps donné, la manifestation de l’endommagement. La diminution significative de la diffusion des atomes à basse température empêche momentanément la perte de masse, ce qui réduit considérablement la possibilité d'une identification erronée des fibres d'amiante anthophyllite. Les résultats obtenus dans cette étude suggèrent fortement que le mécanisme d’endommagement prédominant est probablement lié au modèle d’endommagement par un champ électrique induit (DIEF). Dans un troisième temps, l'effet de la tension d'accélération sur l’endommagement de quatre types de fibres d'amiante différents; chrysotile, amosite, crocidolite et anthophyllite a été étudié. Les résultats démontrent que, contrairement à ce qui est généralement recommandé, il est préférable d'utiliser une tension d'accélération de 200 kV à 100 kV afin d'éviter l’endommagement. Les résultats mettent en lumière les mécanismes d'endommagement possibles; le plus prédominant semble être causé par un champ électrique induit, la radiolyse n’est toutefois pas exclue, mais semble de moindre importance et le « knock-on » est considéré comme négligeable dans les conditions utilisées. / Asbestos is a material known and used by man for nearly 5000 years, its commercial definition includes six different types of fibrous mineral. Because of their numerous thermal and mechanical properties, asbestos has been mined intensively for commercial use in the last century. It is now well recognized that asbestos exposure can cause severe damage to health and thus its use and exploitation is therefore banned in many countries and its exposure is strictly regulated. The application of those regulations requires rigorous analytical methods to support it. Transmission electron microscopy (TEM) is the most powerful and efficient tool for the analysis of asbestos fibers. However, identification errors caused by damage to asbestos fibers can occur and this problem has been investigated in depth. Asbestos amosite fibers were initially investigated to evaluate the damage caused by a transmission electron microscope electron beam. Since elemental x-ray intensity ratios obtained by energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS) are commonly used for asbestos identification, the impact of beam damage on these ratios was measured. It was determined that the magnesium/silicon ratio was the most sensitive to damage caused by the electron beam. Various tests showed that most fibers have a current density threshold above which the chemical composition of the fiber is modified. The value of this threshold current density varied depending on the fiber. The existence of a threshold electron dose was also demonstrated. This value was dependent on the current density used and can be increased by providing a recovery period between exposures to the electron beam. This study also established that the electron beam current is directly related to the damage rate above a current density of 165 A/cm2. Guidelines were established in order to ensure that the amosite fibers are not damaged. It was determined that analysis should be conducted below a current density of 100 A/cm2. In the second part of this study, the main objective was to assess whether temperature is a factor influencing damage to asbestos fibers and, if so, how it can be used to minimize damage. It was found that lowering the temperature to 123 K can inhibit, for a given time, the manifestation of the damage. The significant decrease of atom diffusion at low temperature momentarily prevents mass loss, greatly reducing the possibility of misidentification of vi anthophyllite asbestos fibers. The results obtained in this study strongly suggest that the predominant mechanism damage is probably related to the induced-electric-field model. In a third part, the effect of the acceleration voltage on the damage of four different types of asbestos fibers; chrysotile, amosite, crocidolite and anthophyllite, was investigated. The results support the conclusion that contrary to what is usually recommended, it is best to use an acceleration voltage of 200 kV than 100 kV in order to avoid damage. The findings shed light on possible damage mechanisms; the most predominant seems to be caused by an induced electric field, radiolysis is not excluded but seems less important and knock-on is thought to be negligible for the conditions used.

Superaustenitická korozivzdorná ocel typu 22Cr25NiWCoCu určená pro vysokoteplotní aplikace v energetickém průmyslu byla studována za podmínek nízkocyklové únavy při pokojové a zvýšené teplotě. Jednotlivé vzorky byly podrobeny různým zátěžným procedurám, což umožnilo studium materiálové odezvy spolu s mechanismem poškození. Křivky cyklického zpevnění/změkčení, cyklického napětí a Coffin-Mansonovy křivky byly vyhodnoceny. Únavová životnost materiálu byla diskutována s ohledem na uplatňované mechanismy poškození, které se vyvinuly za specifických zátěžných podmínek. Standardní izotermální únavové experimenty byly provedeny při pokojové a zvýšené teplotě. Hysterezní smyčky zaznamenané během cyklického zatěžování byly analyzovány pomocí zobecněné statistické teorie hysterezní smyčky. Pro různé amplitudy napětí byla určena jak distribuce hustoty pravděpodobnosti interních kritických napětí (dále PDF), tak rovněž zjištěn její vývoj během cyklického namáhání. Zjištěné průběhy PDF byly korelovány s vývojem povrchového reliéfu a vnitřního dislokačního uspořádání zdokumentované pro obě teploty pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM) vybavené technikou fokusovaného iontového svazku (FIB), která umožnila rovněž efektivní studium nukleace povrchových únavových trhlin. Při cyklickém zatížení při pokojové teplotě byla pozorována lokalizace cyklické plastické deformace do perzistentních skluzových pásů (PSP). V místech, kde tyto PSP vystupují na povrch materiálu byly pozorovány perzistentní skluzové stopy (PSS) tvořené extruzemi a intruzemi. Postupné prohlubování intruzí, zejména na čele nejhlubší intruze, vede k iniciaci únavové trhliny. Odlišný mechanismus tvorby trhlin byl zjištěn při únavové zkoušce při zvýšené teplotě, kde zásadní roli hrál vliv prostředí. Rychlá oxidace hranic zrn a jejich následné popraskání představuje dominantní mechanismus v I. stádiu nukleace trhlin. Aplikace desetiminutové prodlevy v tahové části zátěžného cyklu vedlo k vývoji vnitřního (kavitačního) poškozování. Mechanismy vnitřního poškozování byly studovány na podélných řezech rovnoběžných s napěťovou osou zkušebních vzorků. Trhliny a jejich vztah k hranicím zrn a dvojčat byly studovány pomocí difrakce zpětně odražených elektronů (EBSD). Vliv prodlevy na únavovou životnost byl korelován s vývojem povrchového reliéfu a vnitřního poškození. Vzorky z uvedené oceli byly rovněž podrobeny zkouškám termomechanické únavy (TMF), při nichž se v čase mění jak zátěžná síla tak i teplota. Termomechanické únavové zkoušky v režimu soufázném (in-phase) a protifázném (out-of-phase) byly provedeny jak s prodlevou, tak i bez ní. Ve všech případech bylo pozorováno rychlé cyklické zpevnění bez ohledu na použitou amplitudu deformace, u vzorků testovaných v out-of-phase režimu byla zjištěna tendence k saturaci. Zkoumáním povrchového reliéfu za pomocí technik SEM a FIB byla odhalena přednostní oxidace hranic zrn a následné praskání těchto hranic kolmo k ose zatížení. Prodlevy v cyklech při maximálním napětí vedly ke zvýšení amplitudy plastické deformace a následně ke creepovému poškození ve formě vnitřních kavit a trhlin. Interkrystalické šíření trhlin bylo pozorováno na vzorcích testovaných v režimu in-phase. Vývoj poškození v režimu out-of-phase nebyl principiálně ovlivněn zařazením prodlevy do zátěžného cyklu. Charakteristickým znakem namáhání v režimu out-of-phase je nukleace několika trhlin v homogenní oxidické vrstvě jdoucích napříč zrny kolmo k ose zatěžování.