Analysis and design of composite material driveshafts for marine applications
Authors: Μπιλάλης Ηλίας 
Published: January 2025

Tα σύνθετα υλικά επιλέγονται όλο και περισσότερο ως υλικά κατασκευής διάφορων προϊόντων και εφαρμογών, λόγω της εξαιρετικά υψηλής αναλογίας αντοχής προς βάρος που διαθέτουν. Η αεροπορική βιομηχανία, η αυτοκινητοβιομηχανία και η ναυπηγική βιομηχανία αυξάνουν τις επενδύσεις τους στη μελέτη και την ανάπτυξη σύνθετων υλικών και κατασκευών, προκειμένου να τα αξιοποιήσουν εκτενέστερα στις διάφορες εφαρμογές των κλάδων τους, με στόχο την εξοικονόμηση βάρους και την αύξηση της ενεργειακής τους απόδοσης. Η χρήση σύνθετων υλικών για την κατασκευή αξόνων μετάδοσης ισχύεις παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Ιδιαίτερα για τον τομέα της ναυπηγικής και ναυτιλίας, εκτός από την υψηλή αντοχή και το μικρό βάρος τους, οι άξονες από σύνθετα υλικά προσφέρουν τα πλεονεκτήματα της υψηλής αντοχής σε κόπωση και διάβρωση. Ωστόσο, ο αποτελεσματικός σχεδιασμός των αξόνων από σύνθετα υλικά είναι ένα δύσκολο έργο, λόγω της πολύπλοκης μηχανικής συμπεριφοράς και των πολύπλοκων τρόπων και μηχανισμών αστοχίας των σύνθετων υλικών, που οφείλονται στην ανισοτροπική τους φύση. Η παρούσα εργασία καταπιάνεται με την ανάλυση και τον σχεδιασμό αξόνων από σύνθετα υλικά για θαλάσσιες εφαρμογές και όχι μόνο, με απώτερο στόχο την υποστήριξη της ανάπτυξης των δομικών ψηφιακών τους διδύμων. Η μελέτη ξεκινά με τον ζωτικής σημασίας προσδιορισμό των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων των σύνθετων υλικών που κατασκευάζονται με την μέθοδο περιέλιξης ινών, η οποία χρησιμοποιείται για την κατασκευή των αξόνων από σύνθετα υλικά, αναδεικνύοντας τις διαφορές τους σε σχέση με τα συνήθη πολύστρωτα σύνθετα υλικά. Στη συνέχεια, η δοκιμή διαιρούμενου δίσκου, που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του μέτρου ελαστικότητας και της αντοχής αυτών των υλικών στη διεύθυνση των ινών ή στην περιφερειακή διεύθυνση, αξιοποιείται ως βάση για την ανάπτυξη και επαλήθευση του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων δομών κατασκευασμένων με την μέθοδο περιέλιξης ινών. Γνωρίζοντας πλέον τις μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών κατασκευασμένων με περιέλιξη ινών και έχοντας επαληθεύσει το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων της δοκιμής διαιρούμενου δίσκου έναντι των αντίστοιχων πειραματικών αποτελεσμάτων, τίθενται οι βάσεις για την ανάλυση των αξόνων μετάδοσης ισχύος από σύνθετα υλικά με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Διερευνώνται οι διάφορες επιλογές μοντελοποίησης και αξιολογούνται οι προβλέψεις του μοντέλου για το φορτίο και τον τρόπο αστοχίας και τις υπολογιζόμενες παραμορφώσεις και τάσεις στον άξονα. Διερευνάται, επίσης, η ευαισθησία του μοντέλου σε κρίσιμες μηχανικές ιδιότητες και γεωμετρικές παραμέτρους και προσεγγίζεται η συμπεριφορά των αξόνων κοντά στο φορτίο αστοχίας με ανάλυση σταδιακής αστοχίας. Με βάση το μοντέλο που αναπτύχθηκε για την ανάλυση αξόνων από σύνθετα υλικά, προσδιορίζεται η βέλτιστη αλληλουχία στρώσεων ενός άξονα για ναυπηγική εφαρμογή αξιοποιώντας αλγορίθμους βελτιστοποίησης με κριτήριο τη μεγιστοποίηση του φορτίου λυγισμού και την ελαχιστοποίηση του βάρους. Ο άξονας με τη βέλτιστη αλληλουχία στρώσεων αναλύεται τόσο στατικά όσο και δυναμικά, σύμφωνα με τις προδιαγραφές της εφαρμογής. Στη συνέχεια, διερευνώνται οι μέθοδοι δοκιμών και παρακολούθησης της δομικής κατάστασης των σύνθετων αξόνων και σχεδιάζεται μια εκστρατεία πειραματικών δοκιμών, προκειμένου να καταγραφεί η μηχανική τους συμπεριφορά και να επαληθευθούν και να βελτιωθούν τα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων. Για τον καθορισμό του φορτίου αστοχίας και του τρόπου αστοχίας διαφόρων αξόνων διεξάγονται στατικές δοκιμές στρέψης στο ΕΜΠ, στην BT Composites και στο Πολυτεχνείο της Δρέσδης. Οι παραμορφώσεις στους άξονες μετρούνται με επιμηκυνσιόμετρα (strain gauges) σε όλες τις δοκιμές και επιπρόσθετα με σύστημα ψηφιακής συσχέτισης εικόνας (DIC) στο Πολυτεχνείο της Δρέσδης. Επιπλέον, γίνεται μια πρώτη προσπάθεια μέτρησης της εφαρμοζόμενης ροπής σε άξονες από σύνθετα υλικά με ένα σύστημα τηλεμετρίας με πολύ θετικά αποτελέσματα. Στο Πολυτεχνείο της Δρέσδης, εκτός από τις δοκιμές στρέψης, διεξήχθη πειραματική ανάλυση ιδιοτιμών των αξόνων και πραγματοποιήθηκαν, επίσης, τρισδιάστατες σαρώσεις και αξονικές τομογραφίες στους άξονες πριν, κατά τη διάρκεια και μετά τις δοκιμές στρέψης, προκειμένου να διερευνηθούν τυχόν εσωτερικές αλλαγές στο υλικό. Επιπλέον, κατασκευάστηκαν τέσσερις άξονες από ανθρακόνημα με ενσωματωμένες οπτικές ίνες στις εγκαταστάσεις του Πολυτεχνείου της Δρέσδης και οι προκαταρκτικές εργασίες και η διαδικασία κατασκευής τους περιγράφονται λεπτομερώς. Ορισμένες αποκλίσεις μεταξύ των αριθμητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων οδήγησαν στην μελέτη ποσοτικοποίησης της αβεβαιότητας στη μηχανική απόκριση των αξόνων από σύνθετα υλικά, λαμβάνοντας υπόψη την αβεβαιότητα στις μηχανικές ιδιότητες, τη γωνία περιέλιξης και το πάχος τους. Η μελέτη αυτή έδειξε ποιοι από τους άξονες που δοκιμάστηκαν διέφεραν σημαντικά από τις ονομαστικές προδιαγραφές τους και οδήγησε στη δημιουργία ενός γρήγορου εργαλείου για την αρχική πρόβλεψη του αναμενόμενου εύρους της μηχανικής απόκρισης των σύνθετων αξόνων. Μελετήθηκε, επίσης, η σύνδεση μεταξύ των σύνθετων αξόνων και των χαλύβδινων φλαντζών τους και δημιουργήθηκε ένα μοντέλο, που λαμβάνει υπόψη τη συνεκτική ζώνη (cohesive zone), για να εκτιμηθεί εάν η σύνδεση μπορεί να αντέξει την εφαρμοζόμενη ροπή. Αξιοποιώντας τις γνώσεις που αποκτήθηκαν, πραγματοποιείται μια προκαταρκτική μελέτη αντικατάστασης του χαλύβδινου ενδιάμεσου άξονα ενός πλοίου με έναν άξονα από CFRP. Συνοψίζοντας, η παρούσα διδακτορική διατριβή παρέχει εις βάθος γνώσεις σχετικά με την ανάλυση, τον σχεδιασμό και τις δοκιμές των αξόνων από σύνθετα υλικά και μπορεί να αποτελέσει οδηγό για τον βέλτιστο κατασκευαστικό τους σχεδιασμό, τις δοκιμές και την παρακολούθηση της υγείας τους, χτίζοντας τα θεμέλια των δομικών ψηφιακών τους διδύμων.