Μηχανική συμπεριφορά προηγμένων υλικών με ενσωματωμένους πιλοτικούς αισθητήρες

Abstract

Στην παρούσα εργασία, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο Πεπερασμένων Στοιχείων (ΠΣ) για την περίπτωση της ενσωμάτωσης νανοϊνας άνθρακα/πολυβινυλικής αλκοόλης (PVA-CNT) που θα λειτουργήσει ως μηχανικός αισθητήρας στο μη αγώγιμο σύνθετο υλικό με οπλισμό από ίνες υάλου (GFRP). Για να διερευνηθεί το φαινόμενο της μεταφοράς φορτίου από τη μήτρα στην ίνα, ασκήθηκε στο σύνθετο μονοτονικός εφελκυσμός μέχρι την αστοχία του συνθέτου. Καθότι μας ενδιαφέρει η δυναμική συμπεριφορά της διεπιφάνειας, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Προοδευτικής Βλάβης (ΠΒ) για να διερευνηθεί η μηχανική πρόσφυση, η κατανομή του τασικού πεδίου στη διεπιφάνεια αλλά και οι διαφορετικοί μηχανισμοί αστοχίας του συνθέτου, όπως η αποκόλληση της PVA-CNT ίνας από την πολυμερική μήτρα του. Η φόρτιση του συνθέτου χωρίστηκε σε διαφορετικά στάδια. Σε κάθε στάδιο πραγματοποιήθηκε ανάλυση αστοχίας του συνθέτου μέσω εφαρμογής κριτηρίων αστοχίας που αφορούν τη μέγιστη διατμητική τάση στη διεπιφάνεια και την παραμόρφωση θραύσης. Τέλος εφαρμόστηκε υποβάθμιση των ιδιοτήτων της δομής που αστοχούν σε κάθε στάδιο φόρτισης μέσω κανόνων υποβάθμισης ιδιοτήτων (material properties degradation).

In this paper, a Finite Element (FE) model was developed for the case of embedding a PVA-CNT-fiber inside a non-conductive composite material reinforced with glass fiber (GFRP) material, in order to act as a mechanical sensor. Especially the effect of load transfer from the matrix to the PVA-CNT fiber through their interface was investigated for the case of monotonic tension till failure of the composite. Progressive Damage Modeling (PDM) was employed, in order to analyze the distribution of stress field at the interface and the different failure mechanisms of the composite, such as the debonding of the PVA-CNT fiber from the polymeric matrix. The loading of the composite was divided into several load steps. At each stage, failure analysis was performed by applying composite failure criteria concerning the maximum shear stress distribution at the interface and the fracture strain. Finally mechanical properties' degradation of failed elements of the structure was applied at every load step.