Fatigue damage reconstruction in glass/epoxy composites via thermal analysis and machine learning: A theoretical study

材料科学 环氧树脂 复合材料层合板 高斯分布 复合材料 热的 复合数 卷积神经网络 对角线的 结构工程 计算机科学 人工智能 工程类 数学 几何学 物理 量子力学 气象学
作者
Rodrigo Q. Albuquerque,Ali Sarhadi,Martin Demleitner,Holger Ruckdäschel,Maximilian Eder
出处
期刊:Composite Structures [Elsevier]
卷期号:: 117855-117855
标识
DOI:10.1016/j.compstruct.2023.117855
摘要

This study introduces an advanced, non-contact diagnostic tool for structural health monitoring of fatigue damage in fiber/polymer composite materials. The approach combines thermal image recognition of fatigue self-heating hotspots with high-fidelity thermal modeling to quantitatively assess subsurface fatigue damage distributions by machine learning. To this end, artificial thermal images are generated through 3D numerical thermal analysis of an inherent fatigue damage heat source within a glass/epoxy composite, derived from sampling a multivariate Gaussian distribution of microcracks. Subsequently, these synthetic thermal images are employed to train three distinct regression models: a convolutional neural network, a Gaussian processes regressor, and a straightforward least squares model. Various image augmentation techniques are applied to expand the dataset efficiently. All models accurately predict the size of the damage and - most importantly - the maximum temperature within the damage deep inside the composite. The regression methods estimate the diagonal elements of covariance matrix components of the Gaussian distribution, with accuracies ranging from 86% to 99%. The findings presented in this work contribute to establishing a solid foundation for non-destructive subsurface fatigue damage assessment in composite materials, with many practical applications in experimental composites fatigue research.
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