Experimental and numerical study of composite shafts

Μπιλάλης, Ηλίας; Bilalis, Ilias

dc.contributor.author	Μπιλάλης, Ηλίας	el
dc.contributor.author	Bilalis, Ilias	en
dc.date.accessioned	2017-12-13T11:32:44Z
dc.date.available	2017-12-13T11:32:44Z
dc.date.issued	2017-12-13
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46099
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14723
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Σύνθετα υλικά	el
dc.subject	Άξονες μετάδοσης ισχύος	el
dc.subject	Πεπερασμένα στοιχεία	el
dc.subject	Στρέψη	el
dc.subject	Composite materials	en
dc.subject	Shafts	en
dc.subject	Finite elements	en
dc.subject	Torsion	en
dc.title	Experimental and numerical study of composite shafts	en
dc.title	Πειραματική και αριθμητική μελέτη αξόνων από σύνθετα υλικά	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Σύνθετα υλικά	el
heal.classification	Composite materials	en
heal.classification	Άξονες μετάδοσης ισχύος	el
heal.classification	Shafts	en
heal.classification	Ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία	el
heal.classification	Finite element analysis	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/af724f05f61ef305eee5da55bd5d31ef6237e2a3
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/af724f05f61ef305eee5da55bd5d31ef6237e2a3
heal.classificationURI	http://lod.nal.usda.gov/40233
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-07-26
heal.abstract	Composite materials are becoming increasingly the materials of choice for a number of products and applications, due to their light weight and high strength. Aviation, automotive and marine industries are investing a lot in the study and the development of composite materials in order to use them more extensively in the various structures of their respective fields. The use of composite materials for the manufacturing of power transmission shafts attracts particular interest. Especially for the marine sector, apart from their high strength and light weight, composite shafts offer the advantages of high fatigue and corrosion resistance. The efficient design of composite shafts is a challenging task, because of the general problem of understanding composite materials mechanical behavior and their failure modes and mechanisms, due to their anisotropic nature. The use of simulation programs that utilize the Finite Element Method (FEM), like ANSYS, helps in coping with the aforementioned challenge. In the context of this work several finite element models are developed for the simulation of the mechanical behavior of composite shafts. The calibration and validation of the finite element models is pursued by the comparison of their results with experimental data acquired from the industry and from a torsion test conducted for the needs of the present thesis The first finite element model simulates a Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) shaft, for which experimental data from a torsion test are acquired from the industry. Initially, layered shell elements are used for the development of the model. Eigenvalue buckling analysis and nonlinear buckling analysis are conducted. The dominant failure mode is determined, as well as the critical buckling load, which is quite accurately calculated, compared to the experimental failure load. The calculated stresses also present a correct pattern. However, the model calculates a significantly higher rotational stiffness of the shaft than the experimentally extracted one. For the investigation of this discrepancy a steel shaft of the same geometry is modelled. The results of the numerical solution match the results of the existing analytical solutions indicating that the aforementioned discrepancy is limited to the composite shaft model. Furthermore, a homogeneous model of the composite shaft is developed using again shell elements. The shaft is modeled as single-layered, with the single layer having the equivalent mechanical properties of the multilayered composite, calculated according to the mechanics of composite materials. This model yields in general results very similar to the layered shell model. Additionally, the shaft is modelled using layered solid elements. The results of this model are almost identical to the layered shell model ones. Finally, the effect of the mechanical and geometrical properties to the rotational stiffness and the buckling load of the shaft is investigated, indicating the great importance of their accurate knowledge. The second finite element model simulates a Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) shaft, which features the mechanical and geometrical properties of the shaft tested. The measured magnitudes during the torsion test were the applied torque, the angle of rotation of the rotating end of the shaft with respect to the fixed end and strains on several selected positions for the identification of the rotational buckling modeshape. After the assessment of the experimental results, a model of the shaft is developed using layered shell elements. Eigenvalue buckling analysis and nonlinear buckling analysis are conducted. Still, the model predicts a significantly higher rotational stiffness than the one extracted by the experimental data. The effect of the mechanical and geometrical properties of the shaft on the rotational stiffness is investigated as well, leading to conclusions similar to the ones derived from the GFRP shaft case. Afterwards, the experimental and numerical strains are compared and the observed convergences and discrepancies are assessed. The model yields encouraging results concerning the strains and the most dominant to evolve buckling modeshape. Finally, a modal analysis of the shaft is conducted in order to determine whether the in-service rotational speed of the shaft is close to the mechanical resonance frequency. The results of the analysis show that over the operational range of the shaft, natural frequency resonance is avoided.	en
heal.abstract	Tα σύνθετα υλικά επιλέγονται όλο και περισσότερο ως υλικά κατασκευής διάφορων προϊόντων και εφαρμογών, λόγω του χαμηλού τους βάρους και της υψηλής τους αντοχής. Η αεροπορική βιομηχανία, η αυτοκινητοβιομηχανία και η ναυπηγική βιομηχανία επενδύουν αρκετά στην μελέτη και την εξέλιξη των σύνθετων υλικών, προκειμένου να τα αξιοποιήσουν στις διάφορες κατασκευές των κλάδων τους. Η χρήση σύνθετων υλικών για την κατασκευή αξόνων μετάδοσης ισχύος παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Ιδιαίτερα για τον κλάδο της ναυπηγικής, πέρα από την υψηλή αντοχή και το μικρό βάρος, οι άξονες από σύνθετα υλικά προσφέρουν υψηλή αντοχή σε κόπωση και σε διάβρωση. Η αποτελεσματική σχεδίαση αξόνων από σύνθετα υλικά ενέχει προκλήσεις που πηγάζουν από το γενικότερο πρόβλημα της κατανόησης της μηχανικής συμπεριφοράς των σύνθετων υλικών και των τρόπων και των μηχανισμών αστοχίας τους, λόγω της ανισοτροπικής τους φύσης. Η χρήση προγραμμάτων προσομοίωσης που αξιοποιούν τη Μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων, όπως το ANSYS, συμβάλει στην αντιμετώπιση των παραπάνω προκλήσεων. Στην παρούσα εργασία αναπτύσσονται μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων για την προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς αξόνων από σύνθετα υλικά. Η ρύθμιση και η αξιολόγηση των μοντέλων επιτυγχάνεται μέσω της σύγκρισης των αποτελεσμάτων τους με πειραματικά δεδομένα από τη βιομηχανία και από μία πειραματική δοκιμή στρέψης που διενεργήθηκε για τις ανάγκες της παρούσας διπλωματικής. Το πρώτο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων εστιάζει σε έναν άξονα από σύνθετο υλικό με ενισχυτικές ίνες γυαλιού και εποξική ρητίνη, για τον οποίο είναι διαθέσιμα πειραματικά αποτελέσματα από δοκιμή στρέψης από τη βιομηχανία. Αρχικά, χρησιμοποιούνται πολυστρωματικά στοιχεία κελύφους (layered shell elements) για την ανάπτυξη του μοντέλου. Διενεργείται ανάλυση ιδιοτιμών λυγισμού και μη γραμμική ανάλυση λυγισμού και προσδιορίζεται ο κυριότερος τρόπος αστοχίας και το φορτίο λυγισμού, το οποίο υπολογίζεται με καλή ακρίβεια σε σχέση με το αντίστοιχο πειραματικό φορτίο αστοχίας. Λογική εξέλιξη και τιμές παρουσιάζουν και οι υπολογιζόμενες τάσεις. Ωστόσο, το μοντέλο υπολογίζει σημαντικά υψηλότερη στρεπτική ακαμψία του άξονα σε σχέση με την πειραματική τιμή της. Για τη διερεύνηση αυτής της ασυμφωνίας μοντελοποιείται ένας χαλύβδινος άξονας ίδιας γεωμετρίας. Τα αποτελέσματα της αριθμητικής λύσης ταυτίζονται με τα αποτελέσματα των διαθέσιμων αναλυτικών λύσεων υποδεικνύοντας ότι η παραπάνω ασυμφωνία περιορίζεται στην μοντελοποίηση του άξονα από σύνθετα υλικά. Στη συνέχεια αναπτύσσεται ένα «ομογενές» μοντέλο του άξονα από σύνθετο υλικό πάλι με τη χρήση στοιχείων κελύφους, όπου ο άξονας μοντελοποιείται σαν να αποτελείται από υλικό μίας στρώσης, το οποίο έχει τις ισοδύναμες μηχανικές ιδιότητες του πολύστρωτου υλικού, υπολογισμένες σύμφωνα με την μηχανική των σύνθετων υλικών. Τα αποτελέσματα αυτού του μοντέλου είναι πολύ κοντά στα αποτελέσματα του πολύστρωτου μοντέλου. Επιπλέον, μοντελοποιείται ο ίδιος άξονας χρησιμοποιώντας πολυστρωματικά τρισδιάστατα στοιχεία. Τα αποτελέσματα αυτού του μοντέλου σχεδόν συμπίπτουν με τα αποτελέσματα του μοντέλου με τα πολυστρωματικά στοιχεία κελύφους. Τέλος, ελέγχεται η επίδραση των μηχανικών και γεωμετρικών ιδιοτήτων του άξονα στην στρεπτική ακαμψία και στο φορτίο λυγισμού, αναδεικνύοντας την μεγάλη σημασία της ακριβούς γνώσης τους. Το δεύτερο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων εστιάζει σε έναν άξονα από σύνθετο υλικό με ενισχυτικές ίνες άνθρακα και εποξική ρητίνη, ο οποίος διαθέτει τη γεωμετρία και τις μηχανικές ιδιότητες του άξονα στον οποίο διενεργήθηκε η δοκιμή στρέψης. Κατά τη δοκιμή στρέψης μετρήθηκε η εφαρμοζόμενη ροπή, η γωνία στροφής του στρεφόμενου άκρου του άξονα σε σχέση με το σταθερό και οι παραμορφώσεις σε επιλεγμένα σημεία για τον προσδιορισμό της ιδιομορφής του στρεπτικού λυγισμού του άξονα. Κατόπιν της αξιολόγησης των πειραματικών αποτελεσμάτων, αναπτύσσεται το μοντέλο του άξονα με χρήση πολυστρωματικών στοιχείων κελύφους και διενεργείται ανάλυση ιδιοτιμών λυγισμού και μη γραμμική ανάλυση λυγισμού. Και σε αυτήν την περίπτωση ωστόσο, το μοντέλο υπολογίζει σημαντικά υψηλότερη στρεπτική ακαμψία από την αντίστοιχη πειραματική. Διερευνήθηκε, επίσης, η επίδραση των μηχανικών και γεωμετρικών ιδιοτήτων του άξονα στη στρεπτική ακαμψία, οδηγώντας σε όμοια συμπεράσματα με την περίπτωση του άξονα με τις ενισχυτικές ίνες γυαλιού. Στη συνέχεια γίνεται σύγκριση των πειραματικών παραμορφώσεων με τις αριθμητικές και αξιολογούνται οι παρατηρούμενες συγκλίσεις και αποκλίσεις. Το μοντέλο δίνει ενθαρρυντικά αποτελέσματα για τις παραμορφώσεις και την πιο πιθανή ιδιομορφή στρεπτικού λυγισμού. Τέλος, εκτελείται μία ανάλυση ιδιοσυχνοτήτων του άξονα προκειμένου να διαπιστωθεί εάν η πιθανή ταχύτητα περιστροφής λειτουργίας του άξονα βρίσκεται κοντά στην ιδιοσυχνότητα του. Το αποτέλεσμα της ανάλυσης οδηγεί στο συμπέρασμα ότι ο συγκεκριμένος άξονας δεν κινδυνεύει από συντονισμό στις πιθανές ταχύτητες περιστροφής λειτουργίας.	el
heal.advisorName	Τσούβαλης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Σαμουηλίδης, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Χρήστος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θαλάσσιων Κατασκευών. Εργαστήριο Ναυπηγικής Τεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	154 σ.
heal.fullTextAvailability	true