Μελέτη της συμπεριφοράς έναντι κρούσεων κελυφών λεπτού πάχους με φλάντζα και ενισχυμένων με πολυμερικό αφρό: πειραματική και αριθμητική προσομοίωση

Abstract

Η Μελέτη της συμπεριφοράς έναντι κρούσεων κελυφών λεπτού πάχους με φλάντζα και ενισχυμένων με πολυμερικό αφρό: Πειραματική και αριθμητική προσομοίωση Τίτλος Ονοματεπώνυμο συγγραφέα και δήλωση πνευματικής υπευθυνότητας Χρήστος Δ. Χαραλαμπόπουλος02105673 Αριθμός Μητρώου Α/Μ akhs86@hotmail.com EMail MM Σχολή(-ες) Τεχνολογίας των Κατεργασιών Τομέας(-εις) Εργαστήριο(-α) Επιβλέπων Καθηγητής Δημήτριος Ε. Μανωλάκος Ημ/νία εξέτασης 8 Νοε 201011 Νοε 2010 Ημ/νία αποδέσμευσης Όνομα (GR) Χρήστος Όνομα πατρός (GR) ΔιονύσιοςΧαραλαμπόπουλος Επώνυμο (GR) Christos Όνομα (EN) Όνομα πατρός (EN) Dionysios Επώνυμο (EN) CharalampopoulosΜελέτη της συμπεριφοράς έναντι κρούσεων κελυφών λεπτού πάχους με φλάντζα και ενισχυμένων με πολυμερικό αφρό: Πειραματική και αριθμητική προσομοίωση Τίτλος στα Ελληνικά Chrashworthiness of thin-walled structures with flange and filled with polymer foam: Experimental and arithmetical analysis Τίτλος στα Αγγλικά Χορηγός εκπόνησης Μηχανολόγος Μηχανικός Τίτλος ειδικότητας που αποκτήθηκε Περίληψη (στα Ελληνικά) Η μελέτη της συμπεριφοράς έναντι κρούσεων διαφορετικών κατασκευών, με εφαρμογή κυρίως στα οχήματα, έχει αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια με την προσοχή να στρέφεται στη μείωση των συνεπειών στον άνθρωπο. Σε ερευνητικό επίπεδο γίνεται προσπάθεια καθορισμού θεωρητικών κριτηρίων για το μηχανισμό κατάρρευσης, παρέχοντας στους μηχανικούς την ικανότητα σχεδιασμού κατασκευών ώστε το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας πρόσκρουσης να διαχέεται ενώ ταυτόχρονα γίνεται ομοιόμορφη παραμόρφωση του υλικού. Τα ανωτέρω πρέπει να επιτευχθούν εντός ορισμένων περιορισμών όπως η μείωση του μέγιστου φορτίου, της μάζας της κατασκευής και η αποφυγή αστοχίας αυτής. Μια υλοποιήσιμη και διαδεδομένη μέθοδος είναι η χρήση λεπτότοιχων στοιχείων σε στρατηγικά σημεία πάνω στο σύνολο της κατασκευής που θα λειτουργήσουν ως συσκευές απορρόφησης ενέργειας. Ωστόσο, η πρόβλεψη της κρούσης είναι πολύπλοκη διαδικασία όπου ταυτόχρονα πολλές κατασκευαστικές οντότητες αλληλεπιδρούνκαι προκαλούν έντονα μη γραμμικά φαινόμενα, δυσκολεύοντας τη λεπτομερή ανάλυση και μοντελοποίηση. Στο πρώτο κεφάλαιο ορίζεται η συμπεριφορά έναντι κρούσεων (crashworthiness) και αναλύονται οι μέθοδοι επίτευξης κατά το σχεδιασμό ενός συστήματος. Προβάλλονται στατιστικά στοιχεία αναφορικά με την ανάγκη προστασίας των επιβατών ενός οχήματος και τον τρόπο που εφαρμόζονται οι αρχές του σε τέτοιες κατασκευές. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται οι λεπτότοιχες κατασκευές ως συστήματα απορρόφησης ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα κατηγοριοποιούνται οι συνηθέστερες ατέλειες που εμφανίζονται και προβάλλονται οι βασικές αρχές που τις διέπουν. Δίνεται έμφαση στον τρόπο κατάρρευσης κατασκευών με φλάντζα και διαφορετικό σχήμα διατομής. Τέλος, παρατίθενται βασικά στοιχεία που αφορούν τις κατασκευές σημειακών συγκολλήσεων. Στο τρίτο κεφάλαιο δίδονται στοιχεία για τον πολυμερικό αφρό ως προς τη δομή του, τον τρόπο σχηματισμού, της ιδιότητες, την εφαρμογή του στη βιομηχανία. Εκτενής αναφορά γίνεται για τον πολυουρεθανικό αφρό και τα χαρακτηριστικά του, καθώς αποτελεί το υλικό που χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διαδικασία για την πλήρωση των δοκιμίων. Η θεωρητική ανάλυση της κατάρρευσης των λεπτότοιχων δοκιμίων γίνεται στο τέταρτο κεφάλαιο. Αναλύεται η μέθοδος των superfoldingelementsη οποία αξιοποιείται στη συνέχεια για τον προσδιορισμό του μέσου φορτίου κατάρρευσης και της ενέργειας παραμόρφωσης των δοκιμίων με φλάντζα. Επίσης, δίδονται στοιχεία για ορισμένες παραμέτρους που χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της αποδοτικότητας μιας λεπτότοιχης κατασκευής. Στο πέμπτο και στο έκτο κεφάλαιο περιλαμβάνονται τα βήματα και ο εξοπλισμός για την πραγματοποίηση του πειραματικού σκέλους της διπλωματικής και της υπολογιστικής προσομοίωσης στο LS-DYNA αντίστοιχα. Στο πέμπτο κεφάλαιο προβάλλεται επίσης η μορφή και οι διαστάσεις κάθε ενός από τα δοκίμια που κατασκευάστηκαν και ελέγχθηκε η συμπεριφορά τους κατά την κατάρρευση. Η έκθεση των αποτελεσμάτων από το πείραμα και την προσομοίωση γίνεται στο έβδομο κεφάλαιο. Περιλαμβάνονται στοιχεία για τα βασικά μεγέθη της ανάλυσης κάθε δοκιμίου, η διαδικασία κατάρρευσης σε βήματα και εκτενής σχολιασμός πάνω στα αποτελέσματα που προέκυψαν σε κάθε περίπτωση. Τέλος, στο όγδοο κεφάλαιο παρατίθενται τα συμπεράσματα που προέκυψαν συνολικά από το πειραματικό και το υπολογιστικό σκέλος της διπλωματικής καθώς και προτάσεις για μελλοντική έρευνα και βελτιώσεις επί του αντικειμένου.

Crashworthiness study over different structures, which applies mainly in vehicles, has been developed in recent years focused in reducing the consequences to human. In experimental research, attempts are made to define theoretical design on the mechanics of collapse, providing to the engineers the ability of designing structures, in which the main part of collision energy is diffused while the structure itself deforms uniformly. This improvement must be achieved within certain constraints, such as reducing maximum load and structure mass while evading its failures. A feasible and widely known method is using thin-walled structures in strategic points over the total structure which will work as energy absorbing devices. However, forecasting collisions is a very complicated procedure where simultaneously many structural elements interact, causing severe nonlinear effects, thus making the detailed analysis and modeling extremely difficult. In Chapter 1 crashworthiness is defined and various methods of achieving it in the design level of a system are analyzed. Some statistical data are projected concerning the need for passengers’ protection and the way those principals apply in such structures. Chapter 2 deals with thin-walled structures as absorbing energy devices. Specifically the most common defects that appear are categorized and the basic principles that govern them are presented, emphasizing to collapse behavior of structures with flange and varying the shape of section. To conclude, basic data concerning spot welded structures are quoted. In Chapter 3 data is provided on polymer foam’s structure, formation, properties and industrial appliance. Extensive reference is made to polyurethane foam and its features, corresponding to the one being used in experiment process for the fill of specimens. Theoretical analysis of the collapse of thin-walled structures is dealt in Chapter 4. Method of superfolding elements is analyzed and later used in determining the mean collapse load and absorption energy of structures with flange. Moreover, data around specific parameters used in the evaluation of thin-walled structures efficiency is provided. In Chapters 5 and 6 are included the necessary for this essay, steps and equipment to fulfill the experimental part and the computer simulation using LS-DYNA correspondingly. Furthermore in Chapter 5, is presented the shape and size of structures that were tested and had their collapse behavior inspected. Report of experimental and simulation results is in Chapter 7. Data is included over the basic size of each specimen, its collapse process in steps and extensive comments over the results that arose in each occasion. Finally, in Chapter 8 are listed the conclusions over the combined experimental and simulation results. Some proposals for further study, future research and improvements of the subject are also included.