Advanced structural health monitoring techniques for failure investigation and damage accumulation analysis in aerospace composite structures under complex loading conditions
Kompleks yükleme koşulları altındaki havacılık seviyesi yüksek performanslı kompozit yapılarda hasar evrimi ve kırılma davranışının incelenmesine yönelik ileri yapısal sağlık izleme yaklaşımları
- Tez No: 1007447
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET YILDIZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Uçak Mühendisliği, Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Aeronautical Engineering, Aeronautical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
The growing reliance on carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP) composites in aerospace structures demands monitoring strategies capable of capturing damage evolution across multiple scales and loading conditions. This dissertation develops an integrated structural health monitoring (SHM) framework—combining acoustic emission (AE), infrared thermography (IRT), and digital image correlation (DIC)—to characterize initiation, growth, and accumulation of damage in aerospace-grade composites. These complementary techniques respectively provide unsupervised machine learning based clustering of damage signatures, thermal activity maps, and full-field displacement fields, enabling a multi-modal assessment of failure mechanisms. At the laminate scale, Mode-I interlaminar fracture toughness experiments on unidirectional and twill-woven configurations are used to stablish a multi-instrumental methodology that enables rapid classification of damage mechanisms. Temporal alignment of AE activity with spatially resolved thermal signatures discriminates matrix- and fiber-dominated failures, revealing characteristic energy release patterns that govern delamination behavior. The framework is next extended to cylindrical composite shells containing geometric discontinuities under combined torsion–compression. Coupled AE–IRT–DIC measurements capture progressive matrix cracking, interfacial failure, and fiber failures, which are corroborated through stiffness-reduction-based progressive damage modeling. Finally, the coupled influence of cutout size and thermal environment on radially compressed CFRP cylinders is examined using integrated experimental–numerical analyses. Increasing cutout size and temperature promote transitions from matrix- to interfacial- and fiberdriven failures, ultimately reducing load-bearing capacity by up to 71%. Ultimately,the thesis provides a comprehensive SHM-based damage mechanics framework that bridges microscale fracture characterization and structural-scale performance evaluation, contributing to the design of more reliable and thermomechanically robust aerospace composite components.
Özet (Çeviri)
Havacılık yapılarında karbon fiber takviyeli polimer (CFRP) kompozitlerin giderek artan kullanımı, hasarın çok ölçekli ve farklı yükleme koşullarındaki gelişimini izleyebilecek yapısal sağlık izleme (SHM) stratejilerine olan ihtiyacı artırmaktadır. Bu tez, akustik emisyon (AE), kızılötesi termografi (IRT) ve dijital görüntü korelasyonu (DIC) tekniklerini bütünleştiren bir SHM çerçevesi geliştirerek havacılık seviyesindeki kompozit malzemelerde hasarın başlama, ilerleme ve birikim süreçlerinin karakterizasyonunu amaçlamaktadır. Bu tamamlayıcı yöntemler sırasıyla kümeleme tabanlı hasar göstergeleri, termal aktivite haritaları ve tam alan yer değiştirme dağılımları sağlayarak farklı hasar mekanizmalarının çok yönlü değerlendirilmesine imkân sunmaktadır. Laminat ölçeğinde, tek yönlü ve dimi dokuma konfigürasyonlarında gerçekleştirilen Kırılma tokluğu Mode-I deneyleri ile, hasar türlerinin hızlı sınıflandırılmasını sağlayan çoklu enstrümantasyon tabanlı bir yaklaşım ortaya koyulmuştur. AE sinyallerinin zamansal davranışı ile termal yanıtların eşleştirilmesi, matris ve lif baskınlıktaki hasar modlarının ayırt edilmesini ve delaminasyon davranışını belirleyen karakteristik enerji boşalımı örüntülerinin ortaya çıkarılmasını sağlamıştır. Bu çerçeve, kesit süreksizlikleri içeren silindirik kompozit kabukların burulma–basma birleşik yükleme altındaki davranışına genişletilmiş; AE–IRT–DIC ölçümleri, ilerleyici matris çatlaması ile ara yüzey ve lif hasarlarını yakalamış ve bu bulgular rijitlik indirgemeli ilerleyici hasar modellemesi ile doğrulanmıştır. Son olarak, radyal basma altındaki CFRP silindirlerde delik boyutunun ve sıcaklık koşullarının birleşik etkisi değerlendirilmiştir. Artan delik çapı ve sıcaklığın, matris ağırlıklı hasardan ara yüzey ve lif baskınlıkta hasara geçişi hızlandırdığı ve taşıma kapasitesini %71'e varan oranlarda azalttığı gösterilmiştir. Sonuç olarak, bu tez mikroskobik kırılma davranışının karakterizasyonunu yapısal ölçekli performans değerlendirmesiyle ilişkilendiren, SHM tabanlı kapsamlı bir hasar mekaniği çerçevesi sunmakta; böylece daha güvenilir ve termo-mekanik açıdan dayanıklı havacılık kompozit bileşenlerinin tasarımına katkı sağlamaktadır.
Benzer Tezler
- Taılorıng mıcrostructure and morphology ın prınted carbon nanomaterıals for straın sensıng
Gerinim algılama için baskılı karbon nanomalzemelerde mikrostruktur ve morfolojinin özelleştirilmesi
ADEL ALRAİ
Doktora
İngilizce
2025
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜLYA CEBECİ
DOÇ. DR. ELİF ÖZDEN YENİGÜN
- Dişli çark hata ve hasarlarının titreşim analizi ile belirlenmesi
Identifying the faults in gears with vibration analysis
VOLKAN SİPAHİ
- Development of structural health monitoring system for fiber reinforced polymer composites
Elyaf takviyeli polimer kompozit malzemeler için yapısal sağlık izleme sistemi geliştirilmesi
SHAH RUKH SHAHBAZ
Doktora
İngilizce
2021
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER BERK BERKALP
- Innovative approaches for mechanical characterization and failure analysis in complex and functional composite structures: A fusion of SHM, NDT, and FEA techniques
Kompleks ve fonksı̇yonel kompozı̇t yapılarda mekanı̇k karakterı̇zasyon ve hasar analı̇zı̇ ı̇çı̇n yenı̇lı̇kçı̇ yaklaşımlar: SHM, NDT ve FEA teknı̇klerı̇nı̇n bı̇rleşı̇mı̇
ABDULRAHMAN SAEED ABDULQADER AL-NADHARI
Doktora
İngilizce
2024
Metalurji MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET YILDIZ
- A framework for composite wind turbine blades: From material development to structural optimisation and ml-enhanced damage detection
Rüzgar türbinleri için hibrit kompozit temelli kanat malzemesi geliştirilmesi, yapısal optimizasyonu ve makine öğrenmesi ile hasar tespiti ve yapısal analiz entegrasyonu
KEMAL HASIRCI
Doktora
İngilizce
2026
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALAEDDİN BURAK İREZ
