Προσομοίωση βλάβης λόγω κρούσης σύνθετων υλικών σε αεροναυπηγικές εφαρμογές

Abstract

The use of composites materials for both secondary and primary structures in aerospace industry has been significantly increased during last years. This is mainly due to their good specific mechanical properties and the ability to design and manufacture a great variety of parts. As a result, aerospace structures can efficiently be optimized leading to minimum weight and fuel consumption which means less cost and at the same time protection of the environment. In order to use composites in aerospace structures, a development project is defined and many works of design, stress analysis and experiments take place. Obviously, it is very important to have and also improve the suitable design and analysis tools which can help us to understand composite mechanical behavior reducing the number of required tests. Moreover, the complexity and also the lack of detail knowledge regarding the damage mechanisms on impacted composite components cause many problems in their use in real aerospace structures. Therefore, the development of computational models to estimate the impact damage behavior of a structure is very important. As a result, bearing in mind the above mentioned important remarks, the topics which are covered in this PhD thesis are the following: •Simplified description of impact on a composite plate and definition of critical damage value, •Presentation and implementation of constitutive models for the description of damage for composite material under impact load (delamination and matrix / fiber damage), •Low – velocity and large mass impact event on standard specimens, a plate and a real stiffened aerospace structure manufactured with composite materials (building block approach). Comparison of analytical, computational and experimental/testing results is executed. •Simulation of compression after impact for laminated composite material coupon, estimation of residual strength and comparison with experimental results and compression before impact. •Micromechanical models of composite materials for evaluation of stress field for matrix – fiber separately and equivalent properties. Application of multiscale analysis to open hole compression specimen which is a good approximation of compression after impact test. Comparison with experimental results.

Η χρήση των σύνθετων υλικών όχι μόνο σε δευτερεύουσες αλλά και σε κύριες δομές στην αεροναυπηγική βιομηχανία έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια. Αυτό το γεγονός οφείλεται κυρίως στις καλές ειδικές μηχανικές τους ιδιότητες και στη δυνατότητα σχεδιασμού και κατασκευής μεγάλης ποικιλίας κομματιών. Ως αποτέλεσμα, οι αεροναυπηγικές δομές μπορούν να βελτιστοποιηθούν οδηγώντας σε ελάχιστο βάρος και κατανάλωση καυσίμων γεγονός το οποίο σημαίνει μειωμένο κόστος και την ίδια στιγμή προστασία του περιβάλλοντος. Με σκοπό να γίνει χρήση των σύνθετων υλικών σε δομές αεροσκαφών, καθορίζεται ένα αναπτυξιακό πρόγραμμα και λαμβάνουν χώρα πολλές εργασίες σχεδιασμού, ανάλυσης και πειραμάτων. Προφανώς, είναι πολύ σημαντική η ύπαρξη και βελτίωση των κατάλληλων σχεδιαστικών και υπολογιστικών εργαλείων, τα οποία μπορούν να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε τη μηχανική συμπεριφορά των σύνθετων υλικών μειώνοντας των αριθμό των απαιτούμενων δοκιμών. Επιπλέον, η πολυπλοκότητα και επίσης η έλλειψη λεπτομερούς γνώσης των μηχανισμών βλάβης σε τμήματα δομής από σύνθετα υλικά τα οποία έχουν υποστεί κρούση, προκαλεί πολλά προβλήματα στη χρήση τους σε πραγματικές αεροναυπηγικές κατασκευές. Όμως, η ανάπτυξη υπολογιστικών μοντέλων για εκτίμηση της συμπεριφοράς της βλάβης λόγω κρούσης σε μία δομή είναι πολύ σημαντική. Ως αποτέλεσμα, λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω παρατηρήσεις, τα θέματα που καλύπτονται στην παρούσα διδακτορική διατριβή αφορούν τα ακόλουθα: •Προσεγγιστική περιγραφή της κρούσης σε πλάκα από σύνθετο υλικό και καθορισμός κρίσιμης τιμής βλάβης. •Παρουσίαση και εφαρμογή καταστατικών μοντέλων για περιγραφή της βλάβης για σύνθετα υλικά υπό κρουστική φόρτιση (αποκόλληση στρώσεων και βλάβη μήτρας / ινών), •Χαμηλής ταχύτητας και μεγάλης μάζας κρούση σε τυποποιημένα δοκίμια, σε πλάκα και σε πραγματική αεροναυπηγική δομή από σύνθετο υλικό (building block approach). Πραγματοποιείται σύγκριση προσεγγιστικών, υπολογιστικών και πειραματικών αποτελεσμάτων. •Προσομοίωση θλίψης μετά την κρούση τυποποιημένου δοκιμίου σύνθετου υλικού, υπολογισμός εναπομένουσας αντοχής και σύγκριση με πειραματικά αποτελέσματα και την δοκιμή θλίψης πριν την κρούση. •Μικρομηχανικά μοντέλα ανάλυσης σύνθετων υλικών για υπολογισμό τασικού πεδίου σε επίπεδο μήτρας – ίνας χωριστά και ισοδύναμων ιδιοτήτων σύνθετου υλικού. Εφαρμογή μεθόδου πολλαπλής κλίμακας σε τυποποιημένο δοκίμιο με οπή σε θλίψη, το οποίο αποτελεί προσέγγιση της μεθόδου θλίψης μετά την κρούση. Σύγκριση με πειραματικά αποτελέσματα.