Σχεδιασμός στοιχείων κατασκευών από σύνθετα κεραμικά υλικά που λειτουργούν υπό συνθήκες θερμομηχανικής κόπωσης

Abstract

Αρκετές φορές υπήρξαν επιστημονικές ανακαλύψεις που περίμεναν την δημιουργία νέων ή την βελτίωση γνωστών υλικών, προτού βρούν εφαρμογή. Σε άλλες περιπτώσεις πάλι, καινοτομίες στην τεχνολογία των υλικών υπήρξαν το κίνητρο για την ανάπτυξη νέων εφαρμογών και εφευρέσεων. Είναι πράγματι εντυπωσιακό το πόσα από τα σύγχρονα τεχνολογικά επιτεύγματα οφείλουν την ύπαρξή τους στην, τυχαία πολλές φορές, ανακάλυψη ενός πρωτοποριακού υλικού, μιας νέας μεθόδου επεξεργασίας, ή άγνωστων ιδιοτήτων σε γνώριμα υλικά. Σήμερα ο τομέας των υλικών αποτελεί ανεξάρτητο πεδίο επιστημονικής έρευνας με έντονη δραστηριότητα. Παράλληλα επιτελείται σημαντικό έργο με στόχο την αξιοποίηση από την τεχνολογία, των ερευνητικών αποτελεσμάτων της επιστήμης των υλικών. Μία άποψη της δραστηριότητας αυτής είναι η εισαγωγή σε πειραματικό επίπεδο, νέων υλικών σε γνωστές εφαρμογές. Αν και αυτό αποτελεί ένα σημαντικό βήμα, ωστόσο η υιοθέτηση ενός υλικού από την βιομηχανία με την είσοδό του στην παραγωγή, εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Ένας από τους πιο καθοριστικούς, ειδικά όσο αφορά εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας, είναι η δυνατότητα προσαρμογής των διαδικασιών σχεδιασμού στις συνθήκες που διαμορφώνονται από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της συμπεριφοράς του υλικού, σε συνδυασμό με τις απαιτήσεις της εφαρμογής. Σε αυτό το γενικό πλαίσιο εντάσεται η παρούσα εργασία, η οποία έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη μεθοδολογίας σχεδιασμού, κατάλληλης για εφαρμογή σε στοιχεία από Σύνθετα Κεραμικά Υλικά Συνεχών Ινών (Continuous Fiber Ceramic Composites – CFCC’s) καταπονούμενα από θερμομηχανικά φορτία. Τα ΣΚΥ Συνεχών Ινών αποτελούν εξελιγμένη μορφή των Προηγμένων Κεραμικών Υλικών, τα οποία είναι ίσως τα πλέον ανθεκτικά υλικά σε περιβάλλοντα υψηλών θερμοκρασιών που έχουν αναπτυχθεί έως σήμερα. Τα ΣΚΥ είναι αντικείμενο συνεχούς έρευνας και ανάπτυξης και αναμένεται να επιφέρουν σημαντική πρόοδο σε πολλούς τομείς. Μία από τις πολλές εφαρμογές για τις οποίες θεωρούνται ελκυστικά, είναι οι στροβιλοκινητήρες αεροχημάτων και οι στροβιλομηχανές παραγωγής ενέργειας. Η αντικατάσταση των μεταλλικών κραμμάτων από ΣΚΥ στα «θερμά» μέρη των στροβιλομηχανών εκτιμάται ότι είναι δυνατό να επιφέρει αύξηση του βαθμού απόδοσης έως και 20% με ταυτόχρονη μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων. Στην περιοχή αυτή εστιάζεται η παρουσίαση της προτεινόμενης μεθοδολογίας και συγκεκριμένα στον σχεδιασμό και την ανάλυση ενός πρότυπου θαλάμου καύσης στροβιλομηχανής κατασκευασμένου από ΣΚΥ. Η μεθοδολογία αυτή επιχειρεί να καλύψει τις ιδιαίτερες απαιτήσεις της μοντελοποίησης των ΣΚΥ και της ανάλυσης στοιχείων κατασκευών από ΣΚΥ, που προκύπτουν από τα χαρακτηριστικά της συμπεριφοράς τους στις συνθήκες λειτουργίας των στροβιλομηχανών. Ως βασικό στοιχείο της μεθοδολογίας σχεδιασμού συμπεριλαμβάνεται στην παρούσα εργασία και η λεπτομερής περιγραφή του πειραματικού χαρακτηρισμού ενός τύπου ΣΚΥ με μήτρα και ενίσχυση οξειδίων. Στην διαδικασία αυτή εισάγεται και μια πρωτότυπη μέθοδος ποσοτικού χαρακτηρισμού που στηρίζεται σε μη-καταστροφικές δοκιμές με χρήση υπερήχων. Η διαδικασία εφαρμογής της μεθόδου, όσο αφορά το πειραματικό και το υπολογιστικό μέρος της αναπτύχθηκε εξ’ολοκλήρου στα πλαίσια της παρούσας εργασίας και επιτρέπει την ανίχνευση και τον ποσοτικό προσδιορισμό ανισότροπης βλάβης σε ΣΚΥ. Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων της διαδικασίας χαρακτηρισμού, οδηγεί στην διαμόρφωση μαθηματικού μοντέλου που περιγράφει την μηχανική συμπεριφορά του υλικού κάτω από δεδομένες συνθήκες λειτουργίας. Συγκεκριμένα, όσο αφορά τα ΣΚΥ με μήτρα και ενίσχυση από οξείδιο του αλουμινίου στα οποία εστιάζεται η εργασία, διαπιστώθηκε υποβάθμιση των ελαστικών ιδιοτήτων και της αντοχής λόγω παραμονής του υλικού σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας. Η υποβάθμιση αυτή προσδιορίστηκε ποσοτικά σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας και του χρόνου έκθεσης. Η μεθοδολογία σχεδιασμού στηρίζεται σε μεγάλο βαθμό στην ανάλυση και προσομοίωση της λειτουργίας στοιχείων κατασκευών με την μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων. Σημαντικό μέρος της παρούσας εργασίας αφορά την ανάπτυξη υπολογιστικού κώδικα ο οποίος επιτυγχάνει την προσαρμογή του πρωτότυπου μοντέλου υλικού σε εμπορικό λογισμικό ανάλυσης με ΠΣ. Επιπρόσθετα ο υπολογιστικός κώδικας εφαρμόζει μοντελοποίηση προοδευτικής αστοχίας που περιλαμβάνει τρείς ξεχωριστούς μηχανισμούς δομικής αστοχίας. Τέλος, ο κώδικας αυτός χρησιμοποιείται στην προσομοίωση της λειτουργίας ενός τυπικού θαλάμου καύσης στροβιλομηχανής παραγωγής ενέργειας σε συνθήκες σταθερής κατάστασης (steady state), κατασκευασμένου από στρωματοποιημένο ΣΚΥ συνεχών ινών και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ανάλυσης.