Kontaktperson Torsten Sjögren 2015-09-25 3P05868 1 (8) SP Bygg & Mekanik 010-516 52 49 Torsten.Sjogren@sp.se Ångpanneföreningens Forskningsstiftelse Frösundaleden 2 169 99 STOCKHOLM SLUTRAPPORT (Ref. nr. 13-485): 3D-analys av töjningar i fiberkompositer genom användning av mikroröntgentomografi och volymkorrelation 1. Inledning I detta projekt har röntgentomografi tillämpats i kombination med DVC-teknik (volymskorrelation) för att mäta förskjutningar och töjningar som uppstår i en komposit under belastning. Detta har gjorts för att öka förståelsen för de skademekanismer som är verksamma under mekanisk belastning av kompositer. Inom projektet har även metodik och utrustning för att möjliggöra denna typ av studier tagits fram. 2. Utfört arbete och resultat Projektet startade enligt plan i september 2013. Vid inledande projektstartsmöte upprättades en reviderad budget samt en aktivitetslista för planerade aktiviteter enligt den tidplan som angavs i projektbeskrivningen. Under projektet har ett dussintal webmöten anordnats och däremellan har aktiviteter genomförts. Utöver dessa möten, där representanter från alla parter deltagit, har kontakt mellan enskilda parter/personer tagits i specifika frågor. Samtliga huvudaktiviteter har legat fast under genomförandet av projektet enligt den ursprungliga projektbeskrivningen. Parterna i projektet är Luleå Tekniska Universitet (LTU) och två enheter inom SP (Bygg och Mekanik och Elektronik). Sedan projektstart har ett flertal aktiviteter genomförts, vilka redovisas i korthet nedan. Litteraturstudie: Sökning och sammanställning av litteratur genomfördes under projektets första halva. Fokus har varit på skademekanismer i kolfiberkompositer men litteratur kring tomografering, bildbehandling och experimentell mekanik har även inkluderats för kunskapsuppbyggnad och metodutvecklingsdelen i projektet. Lösningar förekommande i litteraturen för in-situ pålastning vid tomografering har också studerats och idéer från denna del i litteraturstudien har i valda delar implementerats i projektet. Postadress Besöksadress Tfn / Fax / E-post Detta dokument får endast återges i sin helhet, om inte SP i förväg SP Box 857 501 15 BORÅS Västeråsen Brinellgatan 4 504 62 BORÅS 010-516 50 00 033-13 55 02 info@sp.se skriftligen godkänt annat.
2015-09-25 3P05868 2 (8) Metodutveckling: En stor del av projektet har ägnats åt att ta fram utrustning, tomografiinställningar som lämpar sig för rekonstruktion av volymavbilningar för efterföljande DVC-analyser samt utvärdering av DVC-data. Vid tomografering är det stora skillnader på vilken typ av bild man vill ha fram beroende på den efterföljande användningen. Skall volymavbildningen användas för exempelvis visualisering av en produkt så läggs fokus på att få fram en avbildning med estetiska värden där varje del av produkten kan visualiseras med t.ex. en separat färg, mer som ett foto i tre dimensioner. När det gäller volymavbildning som syftar till efterföljande korrelationsanalys, vilket är fallet inom föreliggande projekt, så eftersträvas bilder som kan tas fram repetitivt och med ett gråskalemönster som uppkommer till följd av densitetsskillnader i det tomograferade materialet. Det är dessa densitetsskillnader och slumpmässiga mönster i volymavbildningen som nyttjas för att få unika mönster (gråskalor) inom varje subvolym som man vid korrelationsstudierna delar in den avbildade volymen i. I projektet har filtreringsmetodik studerats för att få så höga korrelationsvärden som möjligt vid jämförelse av två volymavbildningar. Figur 1. Belastningssteg för montering i tomograf för in-situ belastning. I projektet har ett belastningssteg, som kan monteras i tomografen för in-situ tomografering, utvecklats och byggts (se Fig.1). Belastningssteget är pneumatiskt drivet och lasten åstadkoms sålededs genom att en väl kontrollerad ökning av trycket hos tryckluft kopplad till en pneumatisk cylinder sker. Under denna ökning av lufttrycket monitoreras den på provet åstadkomna axiella lasten genom datainsamling av lastsignalen i en extern dator. Vid en lämpligt vald konstantlast kan därefter tomografering ske. Kapaciteten på belastningssteget är 1000 N men dess kapacitet kan
2015-09-25 3P05868 3 (8) relativt enkelt ökas genom utbyte av den pneumatiska cylindern samt lastcellen. Belastningsprover har även genomförts i belastningssteget utanför tomografen för att studera exempelvis eventuella problem med kryp i materialet då lasten måste hållas konstant under 1-3 h vid tomografering men huvudsakligen har belastningsteget använts i tomograf för att ta fram volymsavbildningar i belastade och obelastat tillstånd för DVC-analys. Exempel på kryptestkurvor för det studerade kompositmaterial visas i Fig. 2. Figur 2. Exempel på kyptestkurvor vid olika lastnivåer för det studerade kompositmaterialet. Vid inledande DVC-analyser genomfördes två på varandra följande avbildningar där provet mellan scanningarna togs ur och sattes i tomografen. Med hjälp av dessa avbildningar kunde man med DVC-analys studera om upplösningen var lämplig, om brusnivåerna var för höga och om man med valda inställningar åstadkom en korrelationsnivå som var tillräcklig. Baserat på dessa och efterföljande upprepade analyser har tomografiavbildningarna optimerats och man har möjliggjort avbildning som ger förhållandevis goda korrelationsvärden vid DVC-analys. Jämförande DVCanalyser, där DVC-mjukvara på LTU respektive SP har använts för beräkning, visar på god överensstämmelse i beräknade förskjutningar och töjningar efter optimering av tomografiprocessen. Experimentell studie: Inledande skarpa mätningar genomfördes där provet belastades till olika nivåer och DVC-analys utfördes. Exempel på töjningsfält som erhållits genom DVC-analys i dessa inledande studier visas i Fig. 3.
2015-09-25 3P05868 4 (8) Figur 3. Tomografiavbildning (vänster) av komposit samt förskjutningsfält (höger) för motsvarande position inne i kompositmaterialet vid pålagd ytter last. Figur 4. Bildutsnitt från en volymavbildning av kolfiberkomposit.
2015-09-25 3P05868 5 (8) De inledande studierna visade att DVC-analys gav god överensstämmelse med den faktiskt påförda förskjutningen och att man kunde koppla inhomogeniteter i förskjutningsfältet till fiberorientering i det provade materialet. Fortsatta mätningar genomfördes därefter under 2014 och 2015. Exempel på ett bildplan från en tomograferad kolfiberkomposit visas i Fig. 4. Baserat på ett antal avbildningar av denna kolfiberkomposit vid olika belastningsnivåer har förskjutningar och töjningar beräknats genom DVC-analys. I Fig. 5 visas korrelationsvärden och förskjutningar beräknade vid 400 N pålagd last Figur 5. Subvolymstorlek 96x96x96 (subvolymsplan z=4). Korrelationsvärden och förskjutningar vid 400 N pålagd last. Det vore önskvärt att ha korrelationsvärden som var något högre. De relativt låga korrelationsvärdena uppstår pga. att strukturen i kompositen har likartade, ej unika mönster till följd av de långa stråken av sammanhängande fiber. Trots detta kan förskjutningar beräknas med god noggrannhet. Dessa har verifierats genom att med handräkning beräkna förskjutningar för en tydlig por i strukturen. Medelvärdet för förskjutningarna som visas i högra bilden i Fig. 5 är 74 µm vilka stämmer bra överens med handberäknad förskjutning för en känd punkt. Undersöker man istället töjningar så påverkas resultaten starkt av de artefakter man kan se upptill i den vänstra bilden i Fig. 6. Artefakter uppstår vid rekonstruktion av volymen från de planprojektioner (1200 projektioner per varv) som samlas in under ett varvs rotation av provföremålet i tomografen. Dessa artefakter orsakar de höga (vita områden i höger bild) och låga töjningar (svarta områden) som syns i högra bilden i Fig. 6. Exkluderar man dock dessa områden och medelvärdesbildar över en rektangel mellan de extremt höga och låga töjningsvärdena erhålls ett stabilt medelvärde, som är
2015-09-25 3P05868 6 (8) oberoende av subvolymsstorlek, på 0,19 %. Det är svårt att entydigt koppla lokalisering av töjningarna till enskilda fiberknippen i strukturen, dock kan riktningar i töjningsfälten sammankopplas med de 45 -riktningar som fibrerna har relativt lasten identifieras i töjningsfälten. Lasten påfördes axiellt i bildernas y-riktning. Figur 6. Subvolymsstorlek 96x96x96 töjningar längs y-riktning visas (Eyy, (%)) med motsvarande strukturbild (vänster). I samband med DVC-analyserna har även känslighetanalyser genomförts där olika subvolymsstorlekar valts (48, 64 och 96 i kub) och inverkan på förskjutningar och töjningar har studerat. Inverkan på förskjutnings- och töjningsvärden är ringa dock inverkar valet av subvolymsstorlek på upplösningen hos de töjningar som kan mätas samt den rumsliga upplösningen. Dessa värdens upplösning står i motsatsförhållande till varandra där en god rumslig upplösning, dvs. små subvolymer, ger en försämrad upplösning av töjningar och förskjutningar. 3. Slutsatser Projektet visar på möjligheterna att med hjälp av in-situ belastning under tomografering kunna studera det mekaniska beteendet hos olika material. Det finns utmaningar i att, på ett för DVC-analysen bra sätt, skapa volymsavbildningar av det studerade materialet. Metodiken som tagits fram i projektet är tillämplig på olika typer av material men materialens lämplighet bör bedömas utifrån materialens inneboende densitetsskillnader då dessa ger upphov till det mönster som krävs för korrelationsanalys. Ett material bör därför ha en slumpmässig fördelning av partiklar av lägre eller högre densitet än den allmänt förekommande matrisen. Dessa partiklar bör också ha en storlek som låter sig upplösas av den tomograf som avses användas.
2015-09-25 3P05868 7 (8) 4. Andra leveranser I olika närliggande projekt har det framtagna belastningssteget diskuterats med intressenter inom tomgrafiområdet. Till följd av dessa diskussioner har beställning på ett liknande belastningssteg gjorts för leverans till en akademisk aktörs tomograf. Detta belastningssteg har 2000 N kapacitet och skall levereras under oktober 2016. Det framtagna belastningssteget har även kunnat användas för att provbelasta andra material såsom, gjuten aluminium. Även där har förskjutningsfält kunnat analyseras och ett exempel visas i Fig. 7. Även här störs beräkningarna av artefakter från volymrekonstruktionen. Dessa syns som de blåa områdena i över- och underkant. Figur 7. Förskjutningsfält för belastat prov tillverkat i gjuten aluminium. De slutsatser som dras inom ramen för projektet är generiskt tillämpliga och kan appliceras även på gjuten aluminium.
2015-09-25 3P05868 8 (8) 5. Fortsatt arbete Avsikten finns att publicera en artikel baserad på genomförda studier vid lämplig konferens under 2016. En lämplig konferens, vid vilka projektdeltagare tidigare publicerat, är BSSM s (British Society for Strain Measurement) konferens 11th International Conference on Advances in Experimental Mechanics som hålls i Exeter i Storbritannien 5-7 september 2016. 6. Tidplan och ekonomi Den ursprungliga projektansökan hade en total budget på 993 kkr. Från ÅForsk beviljades 480 kkr under förutsättning att motsvarande finansiering gick att uppbringa från annat håll. Genom egen motfinansiering från Luleå Tekniska Universitet och SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut har projektet haft en total budget på 960 kkr och inga förändringar i omfattning har därmed gjorts. Projektets ursprungliga tidplan har kvarstått under genomförande av projektet. Både budget och tidplan bedöms ha hållits under genomförande av projektet. SP Bygg & Mekanik - Tillförlitlighet och Livslängd Utfört av Signature_1 Torsten Sjögren Signature_2