Identifikace zatížení kompozitní struktury pomocí uhlíkových vláknových senzorů

Abstract

Tato diplomová práce se zabývá vývojem a experimentálním ověřením metody pro měření deformací kompozitních trubek v reálném čase s cílem umožnit zpětnou rekonstrukci zatěžovacích stavů v rámci přístupu strukturálního zdravotního monitoringu (Structural Health Monitoring, SHM). Úvodní část práce se věnuje rešerši dostupných typů senzorů vhodných pro SHM, jejich fyzikálním principům, charakteristikám a typickým oblastem použití, z nichž byly pro měření deformací na kompozitní trubce zvoleny sensory z uhlíkových vláken (CFS) a pro porovnání výsledků kovové odporové tenzometry. Teoretická část práce obsahuje odvození vztahů pro výpočet napětí a deformací kompozitní trubky pomocí modifikované klasické laminační teorie (CLT), výpočet citlivostí senzorů, analytické vztahy pro odezvu senzorů na mechanické namáhání, stanovení chyb měření a návrh optimálního rozmístění senzorů pomocí optimalizačních algoritmů. Experimentální část se zaměřuje na výrobu a kalibraci CFS, návrh přípravku pro uchycení trubky do zkušebních strojů, výpočet lepeného spoje mezi trubkou a přípravkem, měření deformací při různých módech namáhání (tah, krut, ohyb) a následnou rekonstrukci obecného zatížení kompozitní trubky vyrobené metodou přesného navíjení. Práce přináší ucelený pohled na možnosti využití CFS pro SHM kompozitních struktur a hodnotí jejich potenciál pro praktické aplikace v průmyslu.This thesis addresses the development and experimental validation of a method for real-time strain measurement in composite tubes, with the objective of enabling inverse reconstruction of loading conditions as part of a Structural Health Monitoring (SHM) approach. The introductory section provides a comprehensive literature review of sensor technologies applicable to SHM, focusing on their physical operating principles, performance characteristics, and typical areas of application. Based on this analysis, Carbon Fibre Sensors (CFS) were selected for strain measurement on the composite tube, while conventional metallic strain gauges (SG) were employed for validation and comparison purposes. The theoretical part of the thesis includes the formulation of analytical models for the evaluation of stresses and strains in the composite tube using a modified Classical Laminate Theory (CLT). It further comprises the derivation of sensor sensitivities, analytical expressions for sensor response to mechanical loading, estimation of measurement uncertainties, and the implementation of optimization algorithms for determining the optimal sensor placement. The experimental part encompasses the fabrication and calibration of the CFS, the design of a custom fixture for mounting the tube in testing equipment, the structural analysis of the adhesive joint between the tube and the fixture, and strain measurements under various loading scenarios including axial tension, torsion, and bending. These measurements are subsequently used to reconstruct general multiaxial loading conditions applied to a filament wound composite tube. The outcomes of this work provide an integrated perspective on the feasibility and practical applicability of CFS-based strain sensing for SHM of composite structures, highlighting their potential for deployment in industrial environments.