Προσομοιώση ζημιάς λόγω κρούσης σύνθετων υλικών σε αεροναυπηγικές εφαρμογές

Abstract

Η εφαρμογή των συνθέτων υλικών με πολυμερική μήτρα και ενίσχυση ινών άνθρακα στην αεροναυπηγική βιομηχανία έχει αυξηθεί σημαντικά τις τελευταίες δεκαετίες. Ο κύριος λόγος αυτού του γεγονότος είναι οι καλές ειδικές μηχανικές ιδιότητες, η αυξημένη ευελιξία σχεδιασμού και τελικά τα οφέλη σε κόστος και στην επίδραση στο περιβάλλον. Όταν τα σύνθετα υλικά πρόκειται να χρησιμοποιηθούν ως δομικά τμήματα, γίνεται έναρξη ενός αναπτυξιακού προγράμματος σχεδιασμού, όπου συνδυάζονται τεχνικές δοκιμής και ανάλυσης. Η ανάπτυξη αξιόπιστων αναλυτικών εργαλείων που επιτρέπουν την κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς δομών, όπως επίσης και η δυνατότητα αντικατάστασης αρκετών πειραματικών δοκιμών, είναι αναμφισβήτητα υψίστης σημασίας. Επιπλέον, η έλλειψη γνώσης σε βάθος των επιδράσεων ζημιάς λόγω κρούσης σε δομές στον τομέα της αεροναυπηγικής περιορίζει, σε κάποιες περιπτώσεις, τη χρήση των συνθέτων υλικών. Όμως, η ανάπτυξη μοντέλων εικονικής μηχανικής δοκιμής για ανάλυση της αντίστασης σε ζημιά λόγω κρούσης μιας κατασκευής και επιπλέον η εναπομένουσα αντοχή μετά την κρούση, είναι μεγάλου ενδιαφέροντος. Ως αποτέλεσμα, λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω παρατηρήσεις, τα θέματα που καλύπτονται στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία αφορούν τα ακόλουθα: • αναλυτική περιγραφή της κρούσης σε πλάκα από σύνθετο υλικό, • περιγραφή τυποποιημένων δοκιμών κρούσης και θλίψης μετά την κρούση, • σχηματισμός και εφαρμογή καταστατικών μοντέλων για περιγραφή της ζημιάς για σύνθετα υλικά υπό κρουστική φόρτιση (αποκόλληση στρώσεων και ζημιά μήτρας / ινών), • χαμηλής ταχύτητας και μεγάλης μάζας κρούση σε μονολιθική, τετραγωνική πλάκα από σύνθετο υλικό.

The application of polymer – based composites reinforced by carbon fibers (FRP: Fiber Reinforced Plastics) in aerospace industry has been significantly increased over the last decades. The main reason of this fact is their good specific mechanical properties, their increased flexibility of design and finally their cost and environmental benefits. When composites are intended to be used in structural components, a design development program is initiated, where a combination of testing and analysis techniques is typically performed. The development of reliable analysis tools that enable to understand the structure mechanical behavior, as well as to replace most, but not all, the real experimental tests, is of clear interest. Moreover, lack of in depth knowledge of impact damage effects on structures in the aerospace field deteriorates, in some cases, the use of composite materials. Therefore, the development of virtual mechanical testing models to analyze the impact damage resistance of a structure and additionally the prediction of post – impact residual strength is of great interest. As a result, bearing in mind the above mentioned important remarks, the topics which are covered in this master thesis are the following: • analytical description of impact on a composite plate, • description of impact and compression after impact standard tests, • formulation 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 a monolithic, flat, rectangular, polymer – based laminated composite plate.