Smart composite parts with multifunctional properties ready to fly

Abstract

A utilização de compósitos poliméricos, em aplicações estruturais avançadas nas indústrias aeroespacial e aeronáutica, sofreu um forte aumento nas últimas décadas. Estes materiais têm substituído os metais, com o objetivo de aumentar as propriedades mecânicas a uma baixa massa e, consequentemente, reduzir o consumo de combustível, emissões de CO2 e custos. Comparativamente aos metais, que geralmente falham devido a fadiga, a falha de materiais compósitos é ainda difícil de prever. Assim, as estruturas de compósito requerem o uso de fatores de segurança elevados, para obedecer às exigentes regras de segurança destas indústrias avançadas, o que dificulta o alcance do objetivo final de redução de massa. A monitorização da integridade das estruturas (SHM) é considerada uma abordagem válida para superar estes desafios, mas também para otimizar as operações de manutenção, em vez de seguir um cronograma predefinido de manutenções. Este trabalho estudou duas metodologias de SHM diferentes para detetar e localizar danos em compósitos poliméricos reforçados com fibra de carbono (CFRP). O trabalho inicial avaliou o uso de (1) sensores óticos de rede de Bragg (FBG) para monitorização do processamento e deteção de dano de impacto pouco visível (BVID) e a (2) capacidade de self-sensing dos CFRP para detetar BVID através de tomografia por impedância elétrica (EIT). Estes estudos foram conduzidos a nível laboratorial, em pequenas amostras de teste. A um segundo nível, este trabalho implementou um sistema SHM numa peça real de engenharia, um reservatório de pressão com invólucro compósito (COPV) para armazenamento de hidrogénio. Dada a maior maturidade e precisão dos sensores FBG, esta tecnologia foi escolhida para monitorizar a peça selecionada. Esta capacidade foi demonstrada pela monitorização dos processos de enrolamento e cura, de testes de impacto para demonstrar a deteção e localização de BVID e de testes de pressão cíclica, que se assemelham a ciclos de carga e descarga de combustível. Esta tese reporta também o desenvolvimento do COPV, a sua modelação por elementos finitos (FEM), fabricação e testes de rutura para validação da análise FEM.

Polymer composites have had increased usage in the last few decades in highly advanced structural applications in aircraft and aerospace industries. These materials have been successfully used to replace metals, aiming to increase the mechanical properties at decreased weight and consequently, also reduce fuel consumption, CO2 emissions and costs. The failure mechanisms of composite materials are not yet as predictable as for isotropic materials, such as metals, which usually fail due to fatigue cracking. Thus, composite structures require the use of much higher safety factors, to accomplish the exigent safety rules of such advanced industries, which contradicts the ultimate purpose of using composites to reduce weight. Structural Health Monitoring (SHM) is considered a valid solution to overcome such challenges, but also to optimize maintenance operations as needed, instead of following a predefined maintenance schedule. This work studied two different SHM methodologies to detect and locate damage on Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) composites. The initial work assessed the use of (1) optical fire Bragg grating (FBG) sensors for processing monitoring and Barely Visible Impact Damage (BVID) detection and (2) the self-sensing capability of CFRP composites to detect BVID through the Electrical Impedance Tomography (EIT) technique. These studies were conducted at laboratory level on small coupon test specimens. At a second level, this work implemented a SHM system on a real-life engineering part, a Composite Overwrapped Pressure Vessel (COPV) for hydrogen storage to be used in a fuel-cell system for an Unmanned Aerial Vehicle (UAV). Given the higher maturity and accuracy of FBG sensors over selfsensing EIT, FBG sensors technology was chosen to monitor the full life cycle of the selected part. This capability was demonstrated by monitoring the winding and curing processes, through dropweight impact testing to demonstrate the capability of BVID detection and localisation, and through pressure cycling testing to resemble the real-life operational charge and discharging cycles of a COPV. This thesis also reports the development of the COPV through Finite Element Modelling (FEM) analysis, its manufacturing process and burst pressure testing for FEM analysis validation.