Structural health monitoring of fatigue tested CFRP-CFRP single lap adhesive bonded joints by optical backscatter reflectometry and acoustic emission

Nowadays, adhesive bonded joints find a large application in modern structures, especially for their light weight, less stress concentration and better fatigue properties. Anyway, troubles could arise from a multitude of different factors, like manufacturing defects and operational condition, which lead to local disbonding and final unpredictable failure. Structural health monitoring (SHM) techniques, able to evaluate the damage development in real time, and Non-destructive testing (NDT) are therefore necessary to assess the state of the joints, particularly in the case of fatigue load conditions. In the present thesis work, fatigue tests are performed on Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) single lap adhesive bonded joints, and their damage initiation and propagation are investigated using a volumetric NDT like X-ray micro-Computed Tomography and two different SHM techniques. In detail, the first SHM technique consists in the use Back-Face (BF) strain technique performed by a distributed optical fiber sensor like Optical Backscatter Reflectometry, while the second is based on the acquisition of the Acoustic Emission (AE) produced by the joint during the damage phase. A good correlation is found between crack depth measured by μ-CT and strain peaks position recorded by OBR. Moreover, inspection by AE, after an appropriate filtering procedure involving pattern recognition algorithms, allows the definition of a damage parameter based on cumulative energy. Finally, both SHM techniques ensures an effective way for damage propagation monitoring in single lap joint during fatigue loads.

L’utilizzo di giunti incollati trova una larga applicazione nelle più moderne strutture specialmente per via del loro peso limitato, della ridotta concentrazione di sforzi e buone proprietà di resistenza a fatica. Tuttavia, difetti di produzione e particolari condizioni operative possono dare origine ad una serie di problematiche capaci di causare scollamenti locali e cedimenti improvvisi. Tecniche di monitoraggio strutturale (SHM), capaci di valutare lo sviluppo del danneggiamento in tempo reale, e tecniche di controllo non distruttivo (CND) sono quindi necessarie per verificare lo stato di salute dei giunti, specialmente in condizioni di carico a fatica. Nel seguente elaborato di tesi, giunti incollati a singola sovrapposizione in composito rinforzato a base di carbonio (CFRP) sono stati sottoposti ad una prova di fatica, mentre il relativo stato di danneggiamento è stato investigato attraverso l’uso di un CND volumetrico quale la Tomografia micro-Computerizzata (μ-CT) a raggi X e due diverse tecniche di monitoraggio strutturale. In dettaglio, il primo sistema di monitoraggio strutturale si basa sull’acquisizione della deformazione di Back-Face e sfrutta un sensore a fibra ottica chiamato Optical Backscatter Reflectometry (OBR), capace di fornire una misurazione distribuita del campo di deformazione, mentre la seconda tecnica di monitoraggio si basa sull’acquisizione delle Emissioni Acustiche (AE) generate dal giunto in fase di danneggiamento. I risultati delle analisi mostrano una buona correlazione tra la profondità di cricca misurata tramite μ-CT e la posizione del picco di deformazione misurato tramite l’OBR. Inoltre, le ispezioni tramite AE, a valle di un’adeguata procedura di filtraggio tramite algoritmi di pattern recognition, permettono di identificare nel valore dell’energia cumulata un indicatore dello stato di danneggiamento. Entrambi i sistemi di monitoraggio strutturale garantiscono quindi una soluzione efficace per il monitoraggio di giunti incollati a singola sovrapposizione in condizioni di carico a fatica.