Fatigue Crack Growth Retardation Techniques for the Integral Airframe Structure
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Při zavádění integrální letecké konstrukce vyvstal problém s rychlým růstem únavové trhliny v této konstrukci. Jednou z možností, jak zpomalit růst trhliny a zvýšit životnost konstrukce, je aplikace tzv. zastavovače trhliny. Tato disertační práce porovnává aditivně vyráběné a lepené zastavovače trhlin z hlediska životnosti, rychlosti šíření trhliny a delaminace. V případě lepených zastavovačů trhlin; doposud nebyla věnována pozornost zastavovačům z nerezové oceli. Nerezová ocel se jeví jako vhodný kandidát z důvodu koeficientu tepelné roztažnosti blízkého hliníkové slitině, vysoké tahové pevnosti a vysokého modulu pružnosti v tahu. S ohledem na aditivně vyráběné zastavovače trhlin, žádná pozornost nebyla věnována zastavovačům trhlin z materiálů odlišných od podkladové konstrukce. Za účelem doplnění současného stavu poznání byly vybrány tyto aditivní technologie: studená kinetizace a ultrazvuková konsolidace. Metodou studené kinetizace byly deponovány zastavovače z nerezové oceli a titanové slitiny. Metodou ultrazvukové konsolidace byly navařeny zastavovače z nerezové oceli. V experimentální části práce byl pozorován růst únavové trhliny v podkladové konstrukci. Delaminace zastavovače byla monitorována metodou pulzní termografie s následnou rekonstrukcí termografického signálu. Lepené zastavovače trhlin z nerezové oceli se prokázaly jako vhodná alternativa k zastavovačům s uhlíkovými vlákny. Nerezové zastavovače výrazně snížily rychlost šíření únavové trhliny, čímž značně prodloužily životnost vzorku. Bohužel, všechny zastavovače připravené metodou studené kinetizace urychlily růst únavové trhliny, čímž došlo k předčasnému selhání vzorku. Ultrazvukově konsolidované zastavovače s dvěma vrstvami oceli byly nejefektivnější z hlediska zvýšení životnosti. Tato práce navíc prokázala, že pro detekci delaminace v ultrazvukově konsolidovaném laminátu je možné použít metodu pulzní termografie.
A problem with fast crack propagation arose from utilizing integral airframe structure. One of the techniques to slow down crack propagation and prolong the fatigue life is the application of crack retarder. The aim of this thesis is to compare the performance of additively manufactured crack retarders with bonded ones in terms of the fatigue life, crack growth rate and delamination. In case of the bonded crack retarders; no attention has been paid to the crack retarders made of stainless steel. The stainless steel appears to be a suitable candidate for its coefficient of thermal expansion close to the aluminum, high strength and elastic modulus. Regarding the additively manufactured crack retarders, little or no attention has been paid to the crack retarders made of metals different than the base structure. To address this research gap, two distinctive technologies were selected: cold spray and ultrasonic consolidation. Using the cold spray, the titanium and stainless steel crack retarders were deposited. Using the ultrasonic consolidation, the stainless steel crack retarders were welded. In the experimental work, the crack advance was visually observed. The crack retarder delamination was monitored using the pulsed thermography with subsequent Thermographic Signal Reconstruction. Bonded stainless steel crack retarders proved to be an suitable alternative to the already proven carbon fibre crack retarders. Stainless steel retarders significantly lowered the fatigue crack growth rate which resulted in longer fatigue life. However, all cold sprayed crack retarders accelerated crack growth rate and led to the specimen's premature failure. Ultrasonically consolidated crack retarder with two steel layers was the most effective in the life prolongation. The study also proved, that the delamination in the ultrasonically consolidated metal laminates can be detected using pulsed thermography.
A problem with fast crack propagation arose from utilizing integral airframe structure. One of the techniques to slow down crack propagation and prolong the fatigue life is the application of crack retarder. The aim of this thesis is to compare the performance of additively manufactured crack retarders with bonded ones in terms of the fatigue life, crack growth rate and delamination. In case of the bonded crack retarders; no attention has been paid to the crack retarders made of stainless steel. The stainless steel appears to be a suitable candidate for its coefficient of thermal expansion close to the aluminum, high strength and elastic modulus. Regarding the additively manufactured crack retarders, little or no attention has been paid to the crack retarders made of metals different than the base structure. To address this research gap, two distinctive technologies were selected: cold spray and ultrasonic consolidation. Using the cold spray, the titanium and stainless steel crack retarders were deposited. Using the ultrasonic consolidation, the stainless steel crack retarders were welded. In the experimental work, the crack advance was visually observed. The crack retarder delamination was monitored using the pulsed thermography with subsequent Thermographic Signal Reconstruction. Bonded stainless steel crack retarders proved to be an suitable alternative to the already proven carbon fibre crack retarders. Stainless steel retarders significantly lowered the fatigue crack growth rate which resulted in longer fatigue life. However, all cold sprayed crack retarders accelerated crack growth rate and led to the specimen's premature failure. Ultrasonically consolidated crack retarder with two steel layers was the most effective in the life prolongation. The study also proved, that the delamination in the ultrasonically consolidated metal laminates can be detected using pulsed thermography.
Description
Citation
JETELA, V. Fatigue Crack Growth Retardation Techniques for the Integral Airframe Structure [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2023.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
prof. Ing. František Pochylý, CSc. (předseda)
prof. Ing. Milan Růžička, CSc. (člen)
doc. Ing. Miloslav Petrásek, CSc. (člen)
Ing. Jiří Man, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Zdeněk Karpíšek, CSc. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Juračka, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2023-01-04
Defence
DP se zabývá únavovou životností leteckých konstrukcí. Je zaměřena na možnosti snížení rychlosti šíření trhliny. Je vypracována na velmi dobré úrovni. Výsledky experimentů je možné použít obecně pro další výzkum šíření trhlin letecký konstrukcí. Cenné jsou zejméína pounatky o technologii ultrazvukové konsolidace pro snižování šíření trhliny.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení