Title Durability modeling and analysis of composite structures exposed to the marine environment Title (croatian) Modeliranje i analiza trajnosti kompozitnih konstrukcija izloženih morskom okolišu Author Goran Vizentin Mentor Goran Vukelić (mentor)Committee member Dragan Martinović (predsjednik povjerenstva)Committee member Radoslav Radonja (član povjerenstva)Committee member Željko Božić (član povjerenstva)Granter University of Rijeka Defense date and country 2022-07-08, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 620 - Materials testing. Power stations. Economics of energy 629.5 - Watercraft engineering 502/504 - Environmental science. Conservation of natural resources. Threats to the environment and protection against them Abstract The experimental part of this research was developed, based on samples of epoxy/glass and polyester/glass composites in the form of standardized coupons, with various fiber orientation layout configurations submerged under the sea for an extended period of time (6, 12 and 24 months) in order to enable the assessment of the influence of the prolonged exposure to the sea on the mechanical properties of the material. Numerical finite element analysis (FEA) tensile test and three-point bending simulations on the coupon geometry indicated that the ultimate uniaxial tensile strength (UTS) is the most important parameter for the characterization of the structural mechanical behavior of the material. This parameter value variations were measured experimentally after each period of exposure to the sea and compared with obtained numerically values. The research results showed that all submerged specimens have exhibited an increase in mass due to water absorption and growth of adhering algae and marine microorganisms. Furthermore, various levels of reduction in ultimate tensile strength (UTS), depending on the fiber layout configurations, were observed. Significant changes in the matrix material structure were noticed in the areas where marine organisms and microorganisms adhered to and were embeded, effectively creating “voids” in the matrix material. Numerical analysis and simulations were conducted during the “wet” coupons’ submersion periods, yielding in a predictive model for the long-term behavior of composites in real marine environment. The model was then verified by comparison with the results of experimental tensile tests. Additionally, the usage of composites as a repair material in process equipment and structural elements made from different materials, was verified. The research showed the importance of environmental degradation of mechanical properties of composite materials in the real marine environment. The findings of this ii research could improve the technical regulations of classification societies for composite marine structures exposed to the marine environment during their service life and expand their application in this industrial sector. The design process of such structures can be further optimized by incorporating the material degradation prediction model proposed here.
Abstract (croatian) Eksperimentalni dio ovog istraživanja izveden je na standardiziranim uzorcima (kuponima) kompozitnih materijala izvedenih od kombinacije epoksidne i poliesterske smole kao matrice, te različito orijentiranih staklenih vlakana kao ojačavala uronjenima u more na duge periode od 6, 12 i 24 mjeseca. Svrha eksperimenta je procjena utjecaja duljeg izlaganja uzoraka moru na mehanička svojstva materijala. Numeričko modeliranje i simulacije vlačnog testa i savijanja u tri točke, primjenom metode konačnih elemenata (MKE) na odabranoj geometriji uzoraka pokazali su da je krajnja aksijalna vlačna čvrstoća (engl. Ultimate Tensile Strength, UTS) najvažniji parametar potreban za ispravnu karakterizaciju strukturno-mehaničkog ponašanja materijala. Promjene vrijednosti ovog parametra mjerene su eksperimentalno (vlačni test) nakon završetka navedenih vremenskih perioda izloženosti moru, te su uspoređivane sa vrijednostima dobivenima numeričkom analizom. Rezultati istraživanja pokazali su da su svi uronjeni uzorci imali povećanu masu zbog adsorpcije vode i rasta morskih algi i mikroorganizama koji su se vezali na površini materijala. Nadalje, zamijećene su različite razine smanjenja vlačne čvrstoće materijala za različite konfiguracije usmjerenja slojeva staklenih vlakana. Značajne promjene u strukturi materijala matrice uočene su u područjima vezanja algi i drugih morskih organizama na površini i prodora mikroorganizama u matricu, čime su u biti stvorene "praznine" u materijalu matrice. Numerička analiza i simulacije, provedene tijekom perioda uranjanja uzoraka, rezultirale su stvaranjem prediktivnog modela dugotrajnog ponašanja kompozita uslijed izloženosti stvarnom morskom okolišu. Model je provjeren usporedbom rezultata sa vrijednostima dobivenim eksperimentalnim vlačnim testovima. Povrh svega navedenog, ispitana je i potvrđena mogućnost uporabe kompozitnih materijala za popravke procesne opreme i konstrukcijskih elemenata izvedenih od drugačijih materijala. iv Provedeno istraživanje ukazalo je na važnost degradacije mehaničkih karakteristika kompozitnih materijala uslijed dugotrajne izloženosti morskome okolišu. Nalazi ovog istraživanja mogu poslužiti za poboljšanje tehničkih propisa i standarda klasifikacijskih društava predmetnih za kompozitne pomorske konstrukcije koje su u svom životnom vijeku izložene negativnim utjecajima morskog okoliša čime bi se omogućila šira primjena ovakvih materijala u pomorstvu. Proces projektiranja takvih konstrukcija može se dodatno optimizirati uključivanjem ovdje predloženog modela predviđanja degradacije materijala.
Keywords
FRP composites
marine environment
material degradation
fatigue life
durability of composite marine structures
Keywords (croatian)
vlaknima ojačani polimerni kompoziti
morsko okruženje
degradacija materijala
zamor materijala
trajnost kompozitnih pomorskih objekata
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:187:112711 Promotion 2023 Study programme Title: Postgraduate (doctoral) university study programme - Maritime Studies Type of resource Text Extent VI, 139 str.: ilustr. u bojama, graf. prikazi File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2023-04-13 06:45:07
