Τοπικός λυγισμός ελασμάτων από σύνθετα υλικά με και χωρίς ενίσχυση

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως σκοπό τη μελέτη της συμπεριφοράς πλακών από σύνθετα υλικά σε συγκεκριμένες συνθήκες φόρτισης (θλίψη). Ουσιαστικά, έγινε διερεύνηση έναντι τοπικού λυγισμού πολύστρωτων, ορθότροπων πλακών από σύνθετα υλικά και σύγκριση των αποτελεσμάτων της διερεύνησης αυτής με το πιο κοινό ισότροπο υλικό, τον χάλυβα. Τα υλικά των διαστρωματώσεων που χρησιμοποιήθηκαν ήταν Graphite/Epoxy και E-glass/Epoxy με διάφορους κώδικες. Στη προσπάθεια ανάλυσης του φαινομένου του τοπικού λυγισμού έγινε χρήση των προγραμμάτων MSC Nastran for Windows Version 4.5 (πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων) και του προγράμματος Mathematica 5.1 (γλώσσα συμβολικού προγραμματισμού). Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στα ινώδη, πολύστρωτα σύνθετα υλικά, τις ιδιότητες τους και τον τρόπο που μπορούν να αστοχήσουν. Το δεύτερο κεφάλαιο αποτελεί μια εκτεταμένη αναφορά στον τοπικό λυγισμό ελασμάτων, φαινόμενο που εμφανίζεται σε στοιχεία που φορτίζονται με θλιπτικό φορτίο . Το θλιπτικό φορτίο οδηγεί σε παραμορφώσεις που ακολουθούν το επίπεδό του. Όταν το φορτίο ξεπεράσει μια τιμή τότε αρχίζουν να λαμβάνουν χώρα παραμορφώσεις εκτός επιπέδου. Η τιμή αυτή του φορτίου είναι η κρίσιμη η οποία και αναζητείται. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η διερεύνηση της ελαστικής κύρτωσης απλά εδραζόμενων (τετραέρειστων) πλακών από σύνθετα υλικά χωρίς ενισχύσεις, αλλά και με ύπαρξη ενισχύσεων και σύγκριση αυτών με ιδίων διαστάσεων πλάκες από ισότροπο υλικό και συγκεκριμένα τον χάλυβα με χρήση του προγράμματος Nastran. Το τέταρτο κεφάλαιο είναι επέκταση της διερεύνησης της ελαστικής κύρτωσης απλά εδραζόμενων πλακών από σύνθετα υλικά χωρίς ενισχύσεις, αλλά και με ύπαρξη ενισχύσεων και σύγκριση αυτών με ιδίων διαστάσεων πλάκες από ισότροπο υλικό με χρήση του προγράμματος Mathematica 5.1 ενώ επισημαίνεται και η διαφοροποίηση στην περίπτωση που η πλάκα έχει ένα ελεύθερο άκρο ( τριέρειστη). Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα της διερεύνησης για πλάκες διαφορετικών διαστάσεων, διαφορετικών διαστρωματώσεων, διαφορετικού προσανατολισμού των ινών, πλάκες με μία ή δύο ενισχύσεις και τέλος πλάκες με ένα ελεύθερο άκρο συγκρινόμενες με χαλύβδινες πλάκες ιδίων διαστάσεων και στηρίξεων. Στο έκτο κεφάλαιο εκτίθενται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από όλες αυτές τις αναλύσεις και πρόταση για περαιτέρω έρευνα πάνω στο θέμα αυτό.

The purpose of this diploma thesis is the behavior analysis of thin plates made of composite materials under compression. Essentially buckling analysis took place in laminated, orthotropic composites and the results have been compared with the most common isotropic material, i.e. steel. Graphite/Epoxy and E-glass Epoxy were used in layers with various codes. In order to analyze the phenomenon of buckling, assistance was taken from MSC Nastran for Windows Version 4.5 (finite element analysis program) and the program Mathematica 5.1 (symbolic programming language). The first chapter is an introduction to the fibroid, laminated composites, their properties and their failure modes. The second chapter is an extensive reference to local buckling, a phenomenon that occurs on components loaded by a compressive load. The compressive load results to deformation following its plane. When the load exceeds a value then out of plane deformations begin to take place. This value of consignment is the critical load which we seek in this study. In the third chapter, the investigation of elastic buckling is considered in simply supported along four edges plates, from composites with or without stiffeners and a comparison between these and plates with the same dimensions of isotropic material (namely steel) using the program Nastran. The fourth section continues with the investigation of the elastic buckling of plates simply supported along all four edges, from composites with or without stiffeners and a comparison between plates with the same dimensions of isotropic material using the program Mathematica 5.1. The differences in the case of plates with a free edge are also tested. The fifth chapter is a detailed summary of the results of the investigation for plates with different dimensions, different layering, different orientation of layers, plates with one or two stiffeners and plates with a free edge. All results are being compared with steel plates of the same dimensions and supports. In the sixth section, the conclusions which arose from all the above analyses are being presented and suggestions for further research on this subject are being proposed.