Caracterización térmica y de defectos en materiales compuestos mediante imagen infrarroja. Modelización física, sistema experimental y técnicas de reducción de datos
| Autor: | Justo María, Celeste Beatriz |
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| Přispěvatelé: | Meléndez Sánchez, Juan, López Martínez, Fernando, Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Física, UC3M. Departamento de Física |
| Rok vydání: | 2018 |
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| Zdroj: | e-Archivo. Repositorio Institucional de la Universidad Carlos III de Madrid instname |
| Popis: | El objetivo general de esta tesis ha sido explorar la potencialidad de las técnicas de termografía activa para proporcionar una caracterización cuantitativa de materiales de interés aeronáutico; en concreto, de materiales compuestos con refuerzo de fibra de carbono (CFRP). La termografía activa es un conjunto de técnicas de análisis no destructivo basadas en el estudio de la respuesta de una muestra a una excitación térmica. Son técnicas conocidas hace tiempo, pero que a menudo se utilizan de modo empírico sin una adecuada fundamentación científica, lo que hace incierta su generalización más allá de los casos convencionales. Por eso un primer objetivo parcial ha sido proporcionar esa fundamentación, sintetizando bibliografía dispersa y desarrollando un modelo térmico unidimensional (1D) y un método para su resolución (basado en la transformada de Laplace). Ambos proporcionan un marco unificado, tanto para deducir resultados ya conocidos para muestras planas sin pérdidas térmicas (como la determinación de la difusividad térmica por excitación con un flash) como para obtener otros nuevos cuando las pérdidas son importantes. Debido a su baja conductividad térmica, este es el caso de los CFRP. Este problema se aborda primero usando soluciones aproximadas a la ecuación del calor para obtener a partir de la evolución de la temperatura T(t) en los primeros segundos tras el flash, cuando el efecto de la convección aún es muy pequeño. Después se usa la solución exacta 1D para ajustar T(t) a lo largo de todo el experimento, obteniendo además de α el número de Biot, Bi. Este método flash adaptado permite también, si se conoce la densidad de energía del flash, obtener los valores de calor específico volumétrico ρcp y conductividad térmica κ. Las limitaciones del modelo 1D se estudian también empleando el método de elementos finitos, que permite simular el comportamiento de muestras tridimensionales, aunque con un coste computacional enormemente mayor. El método flash, estudiado hasta aquí, tiene el inconveniente de que la excitación puede ser insuficiente para obtener un buen nivel de señal en muestras gruesas. Una alternativa que puede superar esta limitación es el método escalón (step heating), que consiste en la excitación con una fuente luminosa de baja potencia, nominalmente constante, con la que conseguir mayor señal sin dañar la muestra. En la práctica, sin embargo, la forma exacta de la función de excitación no suele conocerse, lo que impide un análisis cuantitativo con los métodos estándar. Este inconveniente se ha superado usando como entrada al modelo no el flujo incidente sino la temperatura de la cara caliente, lo que es posible gracias a la resolución por transformada de Laplace. El método ha requerido la puesta a punto de un sistema de medida (desarrollado inicialmente para el estudio de materiales compuestos sometidos a fuego) que consiste en dos cámaras infrarrojas que miden ambas caras de una muestra plana durante toda la duración del ensayo, proporcionando mapas espacialmente corregistrados y temporalmente sincronizados de la evolución temporal de la temperatura. Una vez caracterizado térmicamente el material, a partir de las respuestas en temperatura de las dos caras se ha podido determinar la forma y la potencia de la excitación, resolviendo lo que se conoce como problema inverso mediante técnicas de regularización. Una vez calibrada la excitación se puede trabajar con una sola cámara, así como obtener ρcp y κ. La caracterización cuantitativa alcanza su máximo potencial cuando se aplica a toda la imagen, pero dada la gran resolución de las cámaras actuales, se hace necesario agilizar el proceso de recuperación de parámetros térmicos. Con este objetivo, se ha simulado la respuesta térmica a un flash para un conjunto de valores de y Bi, y mediante el método estadístico de las componentes principales se ha podido codificar perfiles T(t) de 2000 puntos por únicamente tres valores, lo que hace que los tiempos de computación se reduzcan drásticamente; además, al tener una matriz de perfiles de evolución temporal pre-calculada, deja de ser un problema iterativo, ganando más aún en rapidez. El cálculo rápido de los parámetros térmicos para toda una imagen permite aplicar esta metodología para caracterizar y detectar defectos. Se ha aplicado a muestras reales y comparado con cálculos mediante software comercial de elementos finitos, obteniendo resultados satisfactorios. Finalmente, dado que este método, tal como está planteado originalmente, sólo puede devolver resultados de y Bi de entre los valores discretos para los que se han precalculado los perfiles de temperatura, se ha puesto a punto una función que supera esta limitación proporcionando valores continuos de los parámetros térmicos mediante un ajuste polinómico cuyas variables independientes son las componentes principales del perfil experimental de temperaturas. The general objective of this thesis has been to explore the potencial of active thermography techniques to provide a quantitative characterization of materials of aeronautical interest; in particular, of carbon fiber reinforced composite materiales (CFRP). Active thermography is a set of non-destructive analysis techniques based on the study of the response of a sample to thermal excitation. These techniques have been known for a long time, but they are often used empirically without adequate scientific base, which makes their generalization uncertain beyond conventional cases. Consequently, a first partial objective has been to provide this foundation, synthesizing scattered knowledge and developing a one-dimensional thermal model (1D) and to derive a new a method for its resolution, based on the Laplace transform. Both provide a unified framework that deduces known results for flat samples without thermal losses (such as the determination of thermal diffusivity by flash excitation) as well as extend to new ones when the convection losses are significant. Due to their low thermal conductivity, this is the case of CFRP. This problem is to be first addressed using approximate solutions to the heat equation to obtain from the evolution of the temperature T(t) in the first few seconds after flash, when the effect of convection is still very small. The exact 1D solution is then used to adjust T(t) throughout the whole experiment, obtaining α along with the number of Biot, Bi. This adapted flash method also allows, if the energy density of the flash is known, to obtain simultaneously in the same experiment the values of volumetric specific heat ρcp and thermal conductivity κ. The limitations of the 1D model are also studied using the finite element method, which allows the behaviour of three-dimensional samples to be simulated, at a much higher computational cost, though. The flash method, as to this point, has the disadvantage that the excitation may be insufficient to obtain a good signal level in coarse samples. An alternative that can overcome this limitation is the step heating method, which consists in excitation with a low power light source, nominally constant, with which to get more energy along the time without damaging the sample. In practice, however, the exact shape of the excitation function is often not known, which prevents a quantitative analysis with the standard methods. This disadvantage has been overcome by using as input to the model not the incident flow but the temperature of the hot face, which is possible thanks to Laplace’s transform resolution. The method has required the development of a measurement system (initially developed for the study of composite materials exposed to fire) consisting of two infrared cameras that measure both sides of a flat sample throughout the duration of the test, providing spatially coregistered and temporarily synchronized maps of the temporal evolution of temperature. Once the material has been thermally characterized, the shape and power of the excitation can be determined from the temperature responses of the two sides, solving what is known as the inverse problem by means of regularization techniques. Once the excitation has been calibrated it is possible to work with a single camera, as well as obtaining ρcp and κ. Quantitative characterization reaches its maximum potential when applied to the entire image, but given the high resolution of the current cameras, it is necessary to speed up the process of recovering thermal parameters. With this objective in mind, the thermal response to a flash has been simulated for a set of values of and Bi, and by means of the statistical method of the main components it has been possible to code 2000 point T(t) profiles for only three values, which reduces the computation times drastically; besides, by having a pre-calculated matrix of time evolution profiles, it is no longer an iterative problem, gaining even more speed. The rapid calculation of the thermal parameters for an entire image allows to apply this methodology to characterize and detect defects. It has been applied to real samples and compared with calculations using commercial finite element software, obtaining satisfactory results. Finally, since this method, as it was originally proposed, can only return results from and Bi from among the discrete values for which the temperature profiles have been precalculated, a function has been developed that overcomes this limitation by providing continuous values of the thermal parameters through a polynomial adjustment whose independent variables are the principal components of the experimental temperature profile. Programa Oficial de Doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales Presidente: Mª Dolores del Campo Maldonado.- Secretario: Susana Briz Pacheco.- Vocal: Mª Aránzazu Mendioroz Astigarraga |
| Databáze: | OpenAIRE |
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