On composite materials response subjected to impact loading
Authors: Γιαννάρος Ευθύμιος 
Published: September 2021

Η σταθερή απαίτηση της αεροδιαστημικής και διαστημικής βιομηχανίας να βελτιώσει την δομική αποδοτικότητα των κατασκευών καθώς επίσης και η αυξημένη ανάγκη για την προστασία των ανθρώπων και των κατασκευών από διάφορες απειλές, όπως οι εκρήξεις και οι συγκρούσεις, έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη υλικών υψηλής απόδοσης. Τα σύνθετα υλικά ανήκουν στην συγκεκριμένη κατηγορία υλικών λόγω του υψηλού μέτρου ελαστικότητας και της υψηλής αντοχής σε σχέση με το ειδικό τους βάρος. Παρόλα αυτά, παρουσιάζουν μερικά μειονεκτήματα όπως το υψηλό κόστος, η περιπλοκότητα στην κατασκευή, η δυσκολία της επιδιόρθωσης σε ενδεχόμενη βλάβη καθώς επίσης και η ευπάθεια σε συνθήκες κρούσης λόγω αποκόλλησης των στρώσεων. Αυτή η ευπάθεια ενδέχεται να προκαλέσει εκτεταμένη βλάβη ή ακόμα και διάτρηση του συνθέτου, η οποία με την σειρά της θα οδηγήσει σε μείωση την εναπομένουσας αντοχής του. Σε ειδικές περιπτώσεις όπως τα αμυντικά συστήματα προστασίας και οι διαστημικές “ασπίδες” τύπου Whipple, υφάσματα από ίνες αραμιδίου χρησιμοποιούνται είτε εσωτερικά του συνθέτου για την ενίσχυση του ενάντια στην διαστρωματική αποκόλληση και για την αντίσταση σε συνθήκες κρούσης, είτε σαν εξωτερικά στρώματα μη εμποτισμένα με ρητίνη για προστασία από θραύσματα που προκύπτουν από την διάτρηση των συνθέτων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην αριθμητική πρόβλεψη της μηχανικής συμπεριφοράς των συνθέτων υλικών και των βιομηχανικών υφασμάτων σε συνθήκες κρούσης. Το αντικείμενο και τα καινοτόμα στοιχεία της συγκεκριμένης μελέτης συνοψίζονται παρακάτω: 1. Ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας, βασισμένης σε πειραματικά δεδομένα, για τη δημιουργία ενός αριθμητικού μοντέλου που προορίζεται για την πρόβλεψη της μηχανικής συμπεριφοράς των βιομηχανικών υφασμάτων σε βαλλιστική κρούση. 2. Ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για την αριθμητική πρόβλεψη της εναπομένουσας αντοχής ενός πολύστρωτου συνθέτου υλικού συνεχών ινών, ύστερα από φόρτιση σε εγκάρσια κρούση χαμηλής και υψηλής ταχύτητας, με βάση τα πειράματα χαρακτηρισμού του υλικού. 3. Αριθμητική προσομοίωση της απόκρισης ενός πολύστρωτου συνθέτου υλικού συνεχών ινών σε εγκάρσια κρούση υπέρ-υψηλής ταχύτητας καθώς και της χωρικής κατανομής των αναπτυσσόμενων θραυσμάτων από τη διάτρηση αυτού με χρήση ενός υβριδικού αριθμητικού μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων (FE) και της σωματιδιακής μεθόδου SPH .Το περιεχόμενο της διατριβής αναπτύσσεται αναλυτικά στα επόμενα επτά κεφάλαια: Στο 1ο Κεφάλαιο, παρέχεται μια σύνοψη των εφαρμογών των συνθέτων υλικών και των υφασμάτων. Ιδιαίτερη έμφαση δίδεται στην αναφορά και στην περιγραφή των συνθηκών κρούσης στον τομέα της άμυνας, της αεροδιαστημικής και διαστημικής. Τέλος, αναφέρονται το αντικείμενο και η συνεισφορά της παρούσης μελέτης στην επιστημονική βιβλιογραφία. To 2ο Κεφάλαιο επικεντρώνεται στην αναφορά των βασικών αρχών μηχανικής των συνθέτων υλικών και των υφασμάτων δίδοντας γενικά εισαγωγικά στοιχεία. Επιπρόσθετα, περιγράφεται και εξηγείται η μηχανική συμπεριφορά των συνθέτων υλικών σε συνθήκες κρούσης χαμηλής, υψηλής και υπέρ-υψηλής ταχύτητας. Το 3ο κεφάλαιο παρέχει στοιχειώδη δεδομένα για τις αριθμητικές μεθόδους στον τομέα της υπολογιστικής μηχανικής των στερεών σωμάτων. Στην συνέχεια, αναλύεται η διαφορά μεταξύ των κύριων σχημάτων χρονικής ολοκλήρωσης (Έμμεσο & Άμεσο σχήμα). Τέλος, γίνεται σχετική αναφορά στις αριθμητικές μεθόδους υπολογισμού των δυνάμεων επαφής κατά τη διάρκεια του φαινομένου της κρούσης. Στο 4ο Κεφάλαιο, αρχικά, μελετάται η μηχανική απόκριση των υφασμάτων με ίνες αραμιδίου σε μονοαξονική εφελκυστική φόρτιση. Σκοπός του κεφαλαίου είναι η προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς σε μονοαξονική εφελκυστική φόρτιση των υφασμάτων καθορίζοντας τις μηχανικές ελαστικές ιδιότητες και τις τιμές των ορίων αντοχής των πλέξεων αυτών, καθώς επίσης και η ταξινόμηση των παραμέτρων αριθμητικής επίλυσης που επηρεάζουν αυτήν τη συμπεριφορά. Στη συνέχεια, η παρούσα εργασία μελετά τη μηχανική συμπεριφορά των παραπάνω υφασμάτων σε συνθήκες βαλλιστικής κρούσης. Στόχος είναι η αριθμητική προσέγγιση της μέγιστης βύθισης του υλικού κατά την κρούση, ο υπολογισμός της ταχύτητας διάτρησης του υφάσματος καθώς και η εκτίμηση του ποσοστού απορρόφησης της κινητικής ενέργειας του βλήματος. Το 5ο κεφάλαιο στοχεύει στην ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για την αριθμητική πρόβλεψη της εναπομένουσας αντοχής ενός πολύστρωτου συνθέτου υλικού συνεχών ινών, ύστερα από φόρτιση σε εγκάρσια κρούση χαμηλής και υψηλής ταχύτητας, με βάση πειράματα χαρακτηρισμού του υλικού. Για τον παραπάνω λόγο, προτείνεται μια καινοτόμος διαδικασία εύρεσης των παραμέτρων του αριθμητικού μοντέλου για την προσομοίωση της πειραματικής συμπεριφοράς του συνθέτου σε κρούση και θλίψη μετά την κρούση. Για επιβεβαίωση της ορθότητας της υπολογιστικής μεθοδολογίας, χρησιμοποιήθηκαν πειραματικά δεδομένα από τυποποιημένες δοκιμές κρούσης χαμηλής και υψηλής ταχύτητας σε πολύστρωτες σύνθετες πλάκες. Στη συνέχεια, τα παραπάνω δοκίμια εξετάστηκαν σε θλιπτικό φορτίο μέχρι την αστοχία τους προς επικύρωση των αριθμητικών αποτελεσμάτων.Στο 6ο κεφάλαιο, μελετάται η απόκριση ενός πολύστρωτου συνθέτου υλικού συνεχών ινών σε κρούση υπέρ-υψηλής ταχύτητας καθώς και η χωρική κατανομή των αναπτυσσόμενων θραυσμάτων από την διάτρηση αυτού με την χρήση ενός υβριδικού αριθμητικού μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων (FE) και της σωματιδιακής μεθόδου SPH. Στόχος του κεφαλαίου είναι η διερεύνηση της εφαρμοσιμότητας της σωματιδιακής υπολογιστικής μεθόδου SPH και ο καθορισμός των παραμέτρων της αριθμητικής επίλυσης για την μοντελοποίηση του συνθέτου. Προτείνεται μια μεθοδολογία ελέγχου της μεθόδου SPH, η οποία είναι βασισμένη σε ψευδό-στατικά πειράματα, ώστε να διασφαλίζεται η αποτελεσματικότητα της συνάρτησης βαρύτητας της μεθόδου γνωστής ως “kernel function”. Ύστερα, η παραπάνω ελεγχθείσα υπολογιστική μέθοδος συνδυασμένη με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων εφαρμόζεται για προσομοίωση του συνθέτου σε κρούση υπέρ-υψηλής ταχύτητας. Εν συνεχεία, υπολογίζεται η ταχύτητα διάτρησης του συνθέτου, το μέγεθος της βλάβης καθώς επίσης και η χωρική κατανομή των θραυσμάτων. Τα παραπάνω αποτελέσματα συσχετίζονται με τις αντίστοιχες τιμές των πειραμάτων της βιβλιογραφίας. Τέλος, στο 7ο κεφάλαιο, συνοψίζονται τα κύρια συμπεράσματα της παρούσης διδακτορικής διατριβής και προτάσεις για μελλοντική εργασία.