Μελέτη σύνθετων εποξεικού αφρού ανθρακονημάτων σε θλίψη και κάμψη

Abstract

Στην παρούσα εργασία γίνεται αριθμητική μελέτη σύνθετων sandwich ανθρακονημάτων/εποξεικού αφρού με εσωτερικές κυλινδρικές ενισχύσεις σε μονοαξονική θλίψη και κάμψη τριών σημείων. Οι ορθοτροπικές στρώσεις ανθρακονημάτων είναι πανομοιότυπες τόσο εξωτερικά όσο και στο πυρήνα της κατασκευής, υπό την μορφή κολώνας, και αποτελούνται από στρώσεις δύο διευθύνσεων 0/90. Παράμετροι που εξετάζονται είναι η διάμετρος των κυλινδρικών ενισχύσεων, το πάχος του πυρήνα, ο αριθμός των εσωτερικών στρώσεων ενίσχυσης, η πυκνότητα διάταξής τους και η παρουσία ή μη αφρού εντός των κυλινδρικών ενισχύσεων. Τα εξεταζόμενα μεγέθη αφορούν τις μετατοπίσεις – παραμορφώσεις σε διάφορα σημεία και διευθύνσεις του υλικού καθώς και τις μέγιστες αναπτυσσόμενες τάσεις von Misses. Η μοντελοποίηση του σύνθετου sandwich πραγματοποιήθηκε με την βοήθεια του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων ANSYS και έγινε χρήση της συμμετρίας 1/8 στην περίπτωση της θλίψης και 1/2 στην κάμψη για μείωση του υπολογιστικού κόστους. Χρησιμοποιήθηκαν 8-κομβικα τρισδιάστατα στοιχεία (SOLID185) για την μοντελοποίηση του συντακτικού αφρού και των εξωτερικών στρώσεων και 4-κομβικά επίπεδα στοιχεία (SHELL181) για τις κολώνες με δυνατότητα εισαγωγής πάχους και διεύθυνσης ενίσχυσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντικά αυξημένη ακαμψία στην περίπτωση της μονοαξονικής θλίψης. Για σημαντικά μεγάλες τιμές της διαμέτρου των κυλινδρικών ενισχύσεων όμως, λόγω της μεγάλης απουσίας συντακτικού αφρού στον πυρήνα, το σύνθετο εμφάνισε μεγάλες μετατοπίσεις και αναπτυσσόμενες τάσεις. Αν θεωρήσουμε συντακτικό αφρό εντός των εσωτερικών ενισχύσεων, υπάρχει μια σχεδόν γραμμική μείωση των παραμορφώσεων με την αύξηση της διαμέτρου. Η συμβολή του αριθμού των εσωτερικών ενισχυτικών στρωμάτων είναι σημαντική μόνο για μεγάλες τιμές της διαμέτρου. Στην κάμψη τριών σημείων είναι ακόμα πιο εμφανής η συμβολή του συντακτικού αφρού στην μηχανική απόκριση της κατασκευής, αφού ακόμα και για μικρές τιμές της διαμέτρου των κυλινδρικών ενισχύσεων, δηλαδή μικρή μείωση του αφρού στον πυρήνα, το σύνθετο δεν παρουσιάζει αυξημένη ακαμψία. Αν θεωρήσουμε όμως κολώνες με αφρό στο εσωτερικό τους, οι παραμορφώσεις μειώνονται γραμμικά με την αύξηση της διαμέτρου. Αυτό επιβεβαιώνεται από την μέτρηση των μετατοπίσεων σε δύο διαφορετικές διευθύνσεις. Η πύκνωση της διάταξης των εσωτερικών ενισχύσεων συμβάλλει επίσης στην ακαμψία της κατασκευής, αν συγκρίνουμε τα αποτελέσματα για ίδια ποσοστά συντακτικού αφρού στον πυρήνα. Πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων είναι αναγκαία ώστε να έχουμε ασφαλή συμπεράσματα.

This master thesis focuses on numerical study of carbon-fibre reinforced/syntactic foam core composites with internal tubular reinforcements under uniaxial compression and 3-point bending. The mechanical response of these hybrid composites under static loads was estimated, such as the displacements, strains and von Misses stresses in various points. Many construction parameters were examined in order to establish their influence in the response of the structure such as the geometrical characteristics of the internal columns, the number of the reinforcement plies, the thickness of the core, the layout of the tubular reinforcements. The orthotropic carbon-fibre reinforced skins (0/90) of the panel are assumed to enclose an epoxy closed-cell syntactic foam core. In addition, internal CF tubular reinforcements connecting the external faceplates, made from the same orthotropic material as the skins, were implemented in order to maximize the strength and stiffness of the panel. Similar structures are candidates for aerospace and automotive applications. The numerical modelling of the sandwich panel was performed using ANSYS finite element code. Considering the symmetry configuration and in order to reduce the required calculation time, 1/8 and 1/2 of the whole structure was modelled for the case of compression and bending respectively. Eight–node brick elements (SOLID185) were utilized for the core and the faceplates and four-node shell elements (SHELL181) were used for the internal reinforcing columns. The composite exhibited improved stiffness, compared to the structure with no columns, indicated by decreased maximum displacements, strains and von Misses stresses under flatwise compression. The number of column reinforcing plies seems to be important only for relative large internal tubular reinforcements. However, in the case of 3-point bending the decreased amount of syntactic foam in the core, due to the hollow reinforcing columns, plays an important role in the mechanical response of the structure. Even for small column diameters, strain and stresses elevate again and the structure does not exhibit improved stiffness and rigidness. Therefore, assuming columns filled with foam, we obtain the optimum mechanical response of the sandwich panel which exhibit a linear displacement diminution in every direction associated with larger column diameters. Finally, as it is shown by numerical modelling and relevant diagrams, a very stiff and lightweight structure, regarding the percentage of syntactic foam of the core, can be achieved by implementing a denser grid of reinforcing columns. Experimental data are needed in order to establish these results.