Μοντελοποίηση αεροναυπηγικών κατασκευών αποτελούμενες από ινώδη μεταλλικά πολύστρωτα σύνθετα υλικά

Καλφούντζος, Κωνσταντίνος; Kalfountzos, Konstantinos

dc.contributor.author	Καλφούντζος, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Kalfountzos, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2018-11-07T11:06:50Z
dc.date.available	2018-11-07T11:06:50Z
dc.date.issued	2018-11-07
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47942
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.8511
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Υπολογιστική Μηχανική”	el
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	Ινώδη μεταλλικά πολύστρωτα	el
dc.subject	Σύνθετα υλικά	el
dc.subject	Λυγισμός	el
dc.subject	Αεροναυπηγικές κατασκευές	el
dc.subject	Αριθμητική μελέτη	el
dc.subject	Fiber metal laminates	en
dc.subject	Composite materials	el
dc.subject	Buckling	el
dc.subject	Aeronautical structures	el
dc.subject	Arithmetical study	el
dc.title	Μοντελοποίηση αεροναυπηγικών κατασκευών αποτελούμενες από ινώδη μεταλλικά πολύστρωτα σύνθετα υλικά	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/af724f05f61ef305eee5da55bd5d31ef6237e2a3
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-07-03
heal.abstract	Το αντικείμενο της παρούσας Μεταπτυχιακής Εργασίας, η οποία εκπονήθηκε στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων του Τομέα Μηχανικής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου για το Δ.Π.Μ.Σ. της Υπολογιστικής Μηχανικής, ήταν η στατική μελέτη λεπτών, απλώς εδρασμένων και περιστροφικά περιορισμένων πλακών ορθογώνιου σχήματος σε λυγισμό λόγω μονοαξονικής θλίψης και καθαρής διάτμησης. Αυτές οι πλάκες αποτελούνται από υλικό GLARE. Το GLARE ανήκει στην κατηγορία των ινωδών μεταλλικών πολύστρωτων υλικών (Fiber Metal Laminates-FMLs), τα οποία αποτελούν υποκατηγορία των σύνθετων υλικών. Ειδικότερα, τα ινώδη μεταλλικά πολύστρωτα είναι υβριδικά σύνθετα υλικά και αποτελούνται από διαδοχικές εναλλασσόμενες στρώσεις μετάλλου και μονοκατευθυντικού ινώδους σύνθετου. Το αλουμίνιο είναι το πιο διαδεδομένο μέταλλο, ενώ χρησιμοποιούνται και χάλυβας, μαγνήσιο ή τιτάνιο. Υπάρχει απεριόριστη πληθώρα πιθανών συνδυασμών υβριδικών υλικών, ανάλογα με την εκάστοτε επιλογή των παραμέτρων σχεδίασης. Μερικές από αυτές τις παραμέτρους είναι το κλάσμα του όγκου του μετάλλου και ο προσανατολισμός των ινών της κάθε στρώσης σύνθετου υλικού. Το GLARE είναι το πιο επιτυχημένο από τα FMLs, μέχρι τώρα, και χρησιμοποιείται στην κατασκευή αεροδιαστημικών κατασκευών όπως στην άτρακτο του Airbus A380, σε τμήματα του Boeing 777 και σε περιβλήματα αεροπορικών κινητήρων. Στη συγκεκριμένη εργασία, υπολογίζονται οι τιμές των βασικών μεγεθών λυγισμού χρησιμοποιώντας, αφενός, αναλυτικές σχέσεις και, αφετέρου, την αριθμητική μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων μέσω του εμπορικού προγράμματος ANSYS®. Οι τιμές που προκύπτουν από τις δύο μεθόδους συγκρίνονται μεταξύ τους, με τη γενική σύγκλιση των αποτελεσμάτων να κρίνεται πολύ ικανοποιητική. Εκτός από την εν λόγω σύγκριση, παρουσιάστηκαν και αναλύθηκαν τα συγκεντρωτικά συγκριτικά διαγράμματα είτε της αναλυτικής είτε της αριθμητικής μεθόδου από τα οποία εξήχθησαν συμπεράσματα για την αντοχή σε λυγισμό των υπό μελέτη υλικών σε σχέση με τις διάφορες παραμέτρους σχεδίασης. Αρχικά, στο κεφάλαιο της Εισαγωγής γίνεται μια γενική αναφορά στα σύνθετα υλικά και στις υποκατηγορίες τους. Αναλύεται το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο για τη μελέτη των πολύστρωτων σύνθετων υλικών σε λυγισμό και πραγματοποιείται μία σύντομη ανασκόπηση των προηγούμενων ερευνών σε σχέση με το λυγισμό των σύνθετων υλικών και των FMLs. Ξεκινώντας με την ερευνητική διαδικασία, υπολογίζονται τα κρίσιμα μεγέθη λυγισμού των ορθογώνιων πλακών αλουμινίου (Al 2024-T3) με βασική μεταβλητή παράμετρο τις διαστάσεις τους, μέσω της εφαρμογής αναλυτικών και προσεγγιστικών τύπων και συγκρίνονται με τις αντίστοιχες τιμές οι οποίες υπολογίζονται μέσω της αριθμητικής επίλυσης. Όπως προαναφέρθηκε η σύγκλιση 6 των αποτελεσμάτων κρίνεται πολύ ικανοποιητική καθιστώντας επιτρεπτή την επέκταση της αριθμητικής διαδικασίας στα αμιγώς πολύστρωτα υλικά, αρχικά, και στα GLARE, στη συνέχεια. Σημειώνεται ότι οι συνθήκες στήριξης στη μονοαξονική θλίψη είναι απλή έδραση και περιορισμός των στροφών κατά μήκος των πλευρών της πλάκας, όπως και στην καθαρή διάτμηση όπου προστίθεται, όμως, και η μικτή οριακή συνθήκη. Ακολούθως, πραγματοποιείται σύγκριση της αναλυτικής με την αριθμητική μέθοδο για τα αμιγώς πολύστρωτα διαφορετικού προσανατολισμού ινών και τα GLARE υλικά σε μονοαξονική θλίψη με απλή έδραση, ενώ παρουσιάζονται οι γραφικές παραστάσεις των αποτελεσμάτων της αριθμητικής μεθόδου για τις υπόλοιπες περιπτώσεις συνοριακών συνθηκών και φόρτισης. Μέσω της ανάλυσης των συγκεντρωτικών συγκριτικών διαγραμμάτων φάνηκε ότι την πιο καθοριστική επίδραση στο κρίσιμο φορτίο λυγισμού έχουν οι συνθήκες στήριξης, με το κλάσμα του όγκου του μετάλλου και τον προσανατολισμό των ινών του σύνθετου να επιδρούν με, επίσης, ουσιώδη τρόπο. Γενικά, ο περιορισμός των στροφών καθιστά τα GLARE πιο δύσκολα στο λυγισμό τους και όσο μεγαλύτερο είναι το κλάσμα του όγκου του μετάλλου, επίσης, τόσο δυσκολότερα λυγίζει το εν λόγω υλικό. Αντίστοιχες παρατηρήσεις πραγματοποιήθηκαν και για τις ιδιομορφές των λυγισμένων πλακών με διαφορετικά συμπεράσματα ανάλογα με τις συνθήκες φόρτισης, στήριξης και του προσανατολισμού των ινών. Τέλος, διερευνήθηκε η δυνατότητα εφαρμογής του νόμου των μιγμάτων στον υπολογισμό της κρίσιμης τάσης λυγισμού με ικανοποιητικά αποτελέσματα και μελετήθηκε η επίδραση του ποσοστού του όγκου των ινών του σύνθετου υλικού στα κρίσιμα μεγέθη λυγισμο	el
heal.abstract	The objective of this diploma thesis which was implemented within the National Technical University of Athens, Department of Mechanics research activities for Computational Mechanics, was the static study of thin simply supported and rotationally restrained plates in buckling under uniaxial compression and pure shear. These plates are orthogonal and consist of GLARE material. GLARE belongs to Fiber Metal Laminates material category (FMLs) which are subcategory of composite materials. Namely, fiber-metal laminates are hybrid composite materials and consist of successive, alternative metal sheets and unidirectional fibrous composite layers. Aluminum is the most widely used metal, while steel, magnesium or titanium have been, also, employed in order to manufacture fiber metal laminates. The possible variations of hybrid laminated material systems are numerous since there are many design parameters. Some of these parameters are Metal Volume Fracture (MVF) and fiber orientation of each composite material lamina. GLARE is the most successful fiber-metal laminate up to now and is, currently, being used for the construction of primary aerospace structures, such as the fuselage of Airbus A380, cargo floors of Boeing 777 and aircraft engine cowlings. At present, the values of critical buckling quantities are computed using analytical formulations and the finite element arithmetic method through commercial program ANSYS®. The values that come up from these two methods are compared between them and the general convergence of the results could be characterized very satisfying. Apart from this comparison, the aggregate comparative diagrams of the analytical or the arithmetical method, were presented and analyzed. Some important conclusions for the buckling strength of the materials studied were deduced, relevant to the design parameters. Initially, the chapter of Introduction, generally, refers to the composite materials and theirs subcategories. The necessary theoretical background for the study of laminated composites in buckling is analyzed and a brief retrospect of previous studies and research about buckling of composite materials and FMLs is presented. Beginning with the research, the critical buckling values of orthogonal aluminum (Al 2024-T3) plates are computed, having as basic variable parameter their dimensions, through the exploitation of analytical and approximate formulations, and are compared to the corresponding values computed through arithmetic method. As it was, previously, mentioned the results convergence is very satisfying, allowing the expansion of the arithmetic procedure at laminates and GLARE. It should be noted that the boundary conditions in uniaxial compression are simply support and all edges of the plate clamped, such as in pure shear, where, a mix of these two conditions is added. 8 Afterwards, a comparison between the analytical and arithmetical method for simply supported laminates of different fiber orientation and simply supported GLARE plates under uniaxial compression is carried out, while the diagrams of the results of the rest boundary conditions and loadings are presented. The comparative aggregate diagram analysis showed that the support members have the most crucial impact on buckling strength. Furthermore, the metal volume fracture and the fiber orientation effect, also, substantially. Generally, the rotationally constrained edges render GLARE plates harder to buckle and the increase at MVF causes the augmentation of buckling strength, for a specific material. Corresponding observations were done for the mode shapes of buckled plates with different conclusions according to the boundary and loading conditions and the fiber orientation. Finally, the possibility of application of method of mixtures was investigated with satisfying results and the effect of fiber volume ratio of composite was studied on critical buckling values	en
heal.advisorName	Θεοτόκογλου, Ευστάθιος	el
heal.committeeMemberName	Ευταξιόπουλος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Κοντού-Δρούγκα, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Θεοτόκογλου, Ευστάθιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	222 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true