Η επίδραση του αποχωρισμού των στρώσεων στο λυγισμό πλακών από σύνθετα υλικά

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο επιδρά ο αποχωρισμός των στρώσεων στο λυγισμό πλακών από σύνθετα υλικά. Αυτό επιτυγχάνεται με τη διερεύνηση της επίδρασης ορισμέων παραμέτρων του αποχωρισμού στην τιμή του κρίσιμου φορτίου λυγισμού, καθώς και στον τύπο της παραμόρφωσης μίας πλάκας. Οι εξεταζόμενες παράμετροι είναι το σχήμα, το μέγεθος και η κατά το πάχος θέση του αποχωρισμού.

Αρχικά, στο πρώτο κεφάλαιο, πραγματοποιείται μια εισαγωγή στο αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας. Στο πλαίσιο αυτό, γίνεται μία σύντομη αναφορά στα ινώδη σύνθετα υλικά και τα πολύστρωτα που προκύπτουν από αυτά και ακολουθεί η αναλυτική περιγραφή του φαινομένου του αποχωρισμού των στρώσεων, καθώς και του λυγισμού πλακών.

Η αναλυτική προσέγγιση του προβλήματος του λυγισμού πολύστρωτων πλακών με αποχωρισμένες στρώσεις αποτελεί το αντικείμενο του δεύτερου κεφαλαίου. Συγκεκριμένα,παρατίθενται ορισμένες αναλυτικές μεθοδολογίες υπολογισμού του κρίσιμου φορτίου λυγισμού και πρόβλεψης της παραμορφωμένης μορφής της πλάκας. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις μεθόδους εκείνες που επιτρέπουν άμεσους υπολογισμούς με χρήση απλών εξισώσεων.

Η κατασκευή και η επιβεβαίωση της ορθότητας των μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων που θα χρησιμοποιηθούν κατά την παραμετρική μελέτη περιγράφονται στο τρίτο κεφάλαιο. Εφόσον επιλεγεί ο τρόπος μοντελοποίησης της πλάκας και του αποχωρισμού των στρώσεών της, καταγράφονται οι τύποι ανάλυσης του προβλήματος του λυγισμού (ανάλυση ιδιοτιμών, μη γραμμική, κ.α.) και περιγράφονται τα προτεινόμενα μοντέλα. Η παραπάνω διαδικασία ακολουθείται από τον έλεγχο της ορθότητας των μοντέλων αυτών μέσω της σύγκρισης των αποτελεσμάτων τους με αποτελέσματα από τη βιβλιογραφία.

Το τέταρτο κεφάλαιο περιλαβάνει την επίλυση των μοντέλων πεπερασμάνων στοιχείων στα πλαίσια της παραμετρικής μελέτης. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, οι εξεταζόμενες παράμετροι είναι το σχήμα, το μέγεθος και η κατά το πάχος θέση του αποχωρισμού. Όσον αφορά το σχήμα, γίνεται η υπόθεση ενός ελλειπτικού αποχωρισμού, οπότε ουσιαστικά εξετάζεται η επίδραση του λόγου μεταξύ των διαμέτρων της έλλειψης. Η επίλυση του προβλήματος έγκειται στον υπολογισμό του κρίσιμου φορτίου λυγισμού της πλάκας και πραγματοποιείται με διάφορους τρόπους (ανάλυση ιδιοτιμών, μη γραμμική ανάλυση, συνδυασμός αυτών).

Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τα αποτελέσματα της παραμετρικής μελέτης περιγράφονται αναλυτικά στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο. Στο ίδιο κεφάλαιο, παρατίθενται τα συμπεράσματα για την αξιοπιστία των μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων που κατασκευάστηκαν για τις ανάγκες της μελέτης.

The purpose of this diploma thesis is to investigate the effect of delamination on buckling behaviour of marine composites. This is achieved through a parametric study of the effect of delamination on both the critical buckling load of laminates and the way they deform. The parameters taken into account are the shape, the size and the through-thickness position of the delamination.

The first chapter of the thesis begins with an introduction to fibre composite materials and therefore, to laminates, followed by a more detailed description of both the delamination and the plate buckling phenomenon.

In the second chapter, an analytical approach of laminate buckling is presented by citing some analytical methods, alongside simple equations, for either calculating the critical buckling load or predicting the deformation style of a plate.

In the third chapter, the Finite Element models of the parametric study laminates are constructed and validated. The step-by-step procedure of constructing the 3D model and choosing the proper analysis types (eigenvalue, non-linear, etc.) is followed by validation tests, regarding results found in literature.

In the fourth chapter, the data and the results of the parametric study are presented. As it is mentioned above, the parameters under investigation are the shape, the size and the through-thickness position of the delamination. As far as the shape is concerned, there is the assumption of an elliptical delamination, which menas that shape refers to the ellipse axes ratio. As for the results of the study, they refer to critical buckling load values, obtained by three analysis types (eigenvalue, non-linear, combination of both).

In the last chapter, the results of the parametric study are evaluated so that useful conclusions are drawn. What is more, conclusions are drawn regarding the FEM models reliabilty.