Συστήματα απορρόφησης ενέργειας
Authors: Κωστάζος Πρωτεσίλαος 
Published: August 2021

Η ανάπτυξη του τομέα σχεδιασμού οχημάτων έχει προσανατολιστεί στη χρήση υβριδικών σύνθετων sandwich κατασκευών, που χαρακτηρίζονται από περιορισμένο βάρος και βελτιωμένο επίπεδο συμπεριφοράς σε συνθήκες πρόσκρουσης από τη σκοπιά της απόδοσης στην απορρόφηση ενέργειας και της αύξησης της ασφάλειας. Το αντικείμενο της ανά χείρας διδακτορικής διατριβής είναι η πειραματική και η δια της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων ανάλυση και διερεύνηση της συμπεριφοράς κατάρρευσης (τρόποι παραμόρφωσης, ικανότητα απορρόφησης ενέργειας, διακύμανση θλιπτικού φορτίου, χαρακτηριστικά ζώνης θραύσης/μετώπου κατάρρευσης) τετραγωνικών κελυφών από υβριδικό σύνθετο (FRP: Fibre-Reinforced Plastic) sandwich υλικό με πυρήνα αφρού ενισχυμένο με δύο διαφορετικά συστήματα FRP ένθετων στοιχείων απορρόφησης ενέργειας. Τα κελύφη αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον τομέα των μεταφορών ως προστατευτικά δομικά στοιχεία ή συστήματα έναντι πρόσκρουσης. Επιπλέον, διερευνώνται οι δυνατότητες μοντελοποίησης της αλληλεπίδρασης επαφής/πρόσκρουσης στην ανάλυση της κατάρρευσης των κατασκευών και προτείνονται προσεγγίσεις προσομοίωσης των βασικών μηχανισμών αστοχίας των σύνθετων υλικών. Σύμφωνα με τις πειραματικές παρατηρήσεις, η μηχανική απόκριση καθώς και η ικανότητα απορρόφησης ενέργειας των κελυφών παρουσιάζεται ιδιαίτερα πολύπλοκη, με μια ποικιλία διαφορετικών μηχανισμών μικρο- και μακροαστοχίας να συμβάλλουν στη συνολική απορρόφηση ενέργειας, και φαίνεται να διέπονται από το δομικό σχεδιασμό και τις ιδιότητες των συστατικών υλικών. Με την τοποθέτηση FRP στοιχείων εντός του πυρήνα των sandwich πάνελ, ενσωματώνονται μηχανισμοί ελέγχου των φορτίων αστοχίας/κατάρρευσης και, ως εκ τούτου, της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας της κατασκευής. Επιπλέον, προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση μηχανισμών triggering στη συμπεριφορά κατάρρευσης των εξεταζόμενων δοκιμίων, ενσωματώθηκαν δύο διαφορετικές διαμορφώσεις άκρου σε μια σειρά εξ αυτών. Και οι δύο προκάλεσαν σταθερή προοδευτική κατάρρευση, αν και δεν καταγράφηκαν αξιοσημείωτες διαφορές στη συνολική συμπεριφορά κατάρρευσης. Παρόλο που η διαμόρφωση μηχανισμού triggering συνιστάται γενικά από πλευράς φόρτισης και ικανότητας απορρόφησης ενέργειας, η απόκριση των δοκιμίων χωρίς διαμόρφωση άκρου προέκυψε καλύτερη εκείνων με μηχανισμό triggering σε αυτόν τον τομέα. Ο τρόπος κατάρρευσης “end-crushing”, που χαρακτηρίζεται από προοδευτική κατάρρευση αρχόμενη από το ένα άκρο του κελύφους και σταδιακά διαδιδόμενη κατά το μήκος του, ήταν ο κύριος μηχανισμός παραμόρφωσης σε όλες τις δομικές διατάξεις. Όλα τα δοκίμια κατέρρευσαν με ένα σχεδόν σταθερό μέσο φορτίο καθ’ όλη ουσιαστικά τη διαδρομή φόρτισης, χωρίς κάποια αξιοσημείωτη απώλεια φέρουσας ικανότητας. Για την προσομοίωση της συμπεριφοράς κατάρρευσης και των χαρακτηριστικών της ενέργειας απορρόφησης των τετραγωνικών σύνθετων sandwich κελυφών με ενισχυμένο πυρήνα αφρού σε αξονική θλιπτική φόρτιση, χρησιμοποιήθηκε ο explicit κώδικας πεπερασμένων στοιχείων (finite elements), Ls-Dyna. Ο κώδικας Ls-Dyna παρουσιάζει ευρεία γκάμα προϋποθέσεων ακριβούς ανάλυσης φαινομένων κατάρρευσης που περιλαμβάνουν μεγάλο αριθμό μοντέλων υλικού, ποικιλία επιλογών μοντελοποίησης της αλληλεπίδρασης επαφής, εκτεταμένη βιβλιοθήκη πεπερασμένων στοιχείων τύπου δοκού, κελύφους και συμπαγούς στερεού, καθώς και εύρωστους αλγόριθμους προσαρμοστικού ελέγχου της διαδικασίας επίλυσης. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που προέκυψαν αντιπαραβάλλονται με τα προαναφερθέντα πειραματικά αποτελέσματα αναφορικά με τους τρόπους παραμόρφωσης, την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας, τη διακύμανση της καμπύλης φορτίου-μετατόπισης και τα χαρακτηριστικά της ζώνης κατάρρευσης. Παρόλο που η συμπεριφορά αυτών των κατασκευών είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη από μικρο- και μακροσκοπική θεώρηση, τα υπολογιστικά αποτελέσματα των μοντέλων της προσομοίωσης προσέγγισαν σε ικανοποιητικό βαθμό εκείνα των αντίστοιχων πειραματικών δοκιμών. Αυτό επιβεβαιώθηκε καταρχάς από τη μακροσκοπική σύγκριση μεταξύ της υπολογιστικής και της πειραματικής κατάρρευσης των sandwich κελυφών και ακολούθως από τη σύγκριση της υπολογιστικής καμπύλης φορτίου-μετατόπισης και των κύριων χαρακτηριστικών κατάρρευσης με τα αντίστοιχα της πειραματικής διαδικασίας. Η ικανοποιητική προσέγγιση των πειραματικών αποτελεσμάτων από τα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων - ιδιαίτερα όσον αφορά στον υπολογισμό των σημαντικών παραμέτρων του σχεδιασμού απορρόφησης ενέργειας των sandwich κατασκευών - καταδεικνύει ότι η μοντελοποίηση με πεπερασμένα στοιχεία μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά στην πρόβλεψη της συμπεριφοράς κατάρρευσης σύνθετων κατασκευών, μειώνοντας με αυτόν τον τρόπο τον αριθμό των αναμφίβολα αναγκαίων αλλά χρονοβόρων και κοστοβόρων πειραματικών δοκιμών.