Analiza procesu antypłaskiego pękania laminatów kompozytowych sprzężonych mechanicznie z wykorzystaniem integracji techniki emisji akustycznej i algorytmów uczenia maszynowego

Środki finansowe przyznane przez Narodowe Centrum Nauki na realizację działania naukowego
SONATA 21

Tytuł projektu: Analiza procesu antypłaskiego pękania laminatów kompozytowych sprzężonych mechanicznie z wykorzystaniem integracji techniki emisji akustycznej i algorytmów uczenia maszynowego

Tytuł w j. angielskim: Analysis of the antiplane shear fracture of elastically coupled composite laminates by using integration of the acoustic emission technique and machine learning algorithms

Numer decyzji: UMO-2025/59/D/ST11/00238

Okres realizacji: 21.08.2026 r. - 20.08.2029 r.

Wartość przyznanych środków: 1 339 560,00 PLN

Wartość projektu: 1 339 560,00 PLN

Kierownik działania naukowego: dr inż. Jakub Rzeczkowski

Streszczenie: Projekt będzie realizowany w dyscyplinie **inżynieria mechaniczna**. Głównym celem naukowym projektu jest eksperymentalne i numeryczne zbadanie wpływu zjawisk sprzężeń sprężystych oraz warunków brzegowych na proces delaminacji w laminatach wielokierunkowych poddanych obciążeniu w warunkach ścinania anty-płaszczyznowego. Wyniki uzyskane w ramach projektu dostarczą nowej wiedzy na temat zależności pomiędzy występowaniem sprzężeń sprężystych a różnymi mechanizmami uszkodzeń zachodzącymi w laminatach kompozytowych w warunkach poprzecznego obciążenia ścinającego, a także umożliwią opracowanie stanowiska do badań eksperymentalnych wraz z inteligentnymi rozwiązaniami do wykrywania inicjacji delaminacji oraz automatycznej klasyfikacji różnych mechanizmów uszkodzeń. Potrzeba lepszego rozpoznania zjawiska delaminacji w modzie III, prowadzącego do wyznaczenia odpowiedniego parametru odporności na pękanie \(G_{IIIC}\) (krytycznej wartości współczynnika uwalniania energii odkształcenia, c-SERR), stała się w ostatnich latach istotnym problemem wraz z rosnącym zastosowaniem kompozytów FRP w przemyśle lotniczym i innych gałęziach przemysłu, szczególnie ze względu na brak powszechnie zaakceptowanego standardu badania odporności na pękanie w modzie III. Popularna metoda edge-crack torsion (ECT) wymaga zastosowania specjalistycznych próbek o geometrii belkowej. Alternatywą może być metoda split cantilever beam (SCB) oraz podobne procedury, umożliwiające zastosowanie prostych próbek, powszechnie wykorzystywanych w badaniach dla modów I i II. Podejście to może ograniczyć całkowity koszt badań eksperymentalnych oraz skrócić czas niezbędny do wyznaczenia wartości współczynników uwalniania energii odkształcenia dla wszystkich trzech modów pękania dla danego laminatu, które są niezbędne do prowadzenia symulacji metodą elementów skończonych. W badaniu ECT propagacja pęknięcia w modzie III może być zakłócana przez jednoczesne występowanie pękania w modach I i II. Jak wykazali ostatnio Kierownik Projektu (PI) oraz inni badacze, również w konfiguracji SCB mogą występować pozorne składowe modów I lub II, szczególnie w obszarze krawędzi próbki. Zjawisko to wymaga udoskonalenia istniejących metod badawczych. W ramach projektu analizowane będą dwie główne grupy laminatów wielokierunkowych: w pełni niesprzężone laminaty oraz laminaty ze sprzężeniami sprężystymi. W przypadku tej drugiej grupy rozpatrywane będą dwa rodzaje sprzężeń: sprzężenie rozciąganie–zginanie (bending–extension) oraz sprzężenie zginanie–skręcanie (bending–twisting). Analizy numeryczne metodą elementów skończonych (MES) zostaną przeprowadzone w środowisku Abaqus/CAE, z wykorzystaniem wirtualnej techniki zamykania pęknięcia (VCCT) oraz modelu strefy kohezyjnej (CZM) dla konfiguracji SCB, z wykorzystaniem specjalistycznego uchwytu badawczego objętego patentem nr P436089, oraz ECT, przy różnych warunkach brzegowych (BC). Wszystkie badania eksperymentalne będą wspierane techniką emisji akustycznej (AE). Zarejestrowane sygnały AE będą przetwarzane w celu wyodrębnienia charakterystycznych cech przebiegów, a ich sygnatura częstotliwościowa zostanie określona z wykorzystaniem dekompozycji Hilberta–Huanga (HHT). Następnie sygnały zostaną poddane transformacji falkowej w celu przedstawienia ich w postaci spektrogramów. Cechy sygnałów AE zostaną pogrupowane z wykorzystaniem algorytmu uczenia maszynowego k-means, co pozwoli na utworzenie biblioteki typowych sygnatur uszkodzeń. Z kolei zbiór reprezentacji częstotliwościowo-czasowych sygnałów AE zostanie wykorzystany jako zbiór danych wejściowych dla głębokiej sieci neuronowej, która zostanie wytrenowana do celów klasyfikacji. Dodatkowo, po zakończeniu badań eksperymentalnych przeprowadzone zostaną obserwacje fraktograficzne rzeczywistych powierzchni przełomów. Nowatorstwo proponowanych badań polega na opracowaniu procedury badawczej typu SCB wykorzystującej synergię techniki emisji akustycznej, transformacji Hilberta–Huanga (opracowanej przez NASA w ostatnich latach) oraz algorytmów sztucznej inteligencji do automatycznego wykrywania inicjacji delaminacji oraz prowadzonej w czasie rzeczywistym klasyfikacji typowych mechanizmów uszkodzeń zachodzących wewnątrz badanego laminatu. Rezultaty projektu poszerzą wiedzę na temat procesów delaminacji zachodzących w warunkach ścinania anty-płaszczyznowego oraz mogą przyczynić się do rozwoju nowego obszaru badań dotyczącego inteligentnych metod badania materiałów kompozytowych.