Efficient analysis methodology for laminated anisotropic structures under quasi-static and impact loading
Authors: Φωτόπουλος Κωνσταντίνος 
Published: September 2021

Η χρήση των πολύστρωτων δομών από σύνθετα υλικά παρουσιάζει αυξητική τάση σε πολλούς τομείς της βιομηχανίας. Η εξάπλωση των πεδίων εφαρμογής τους έχει αναδείξει την σπουδαιότητα που παρουσιάζει η ανάπτυξη θεωριών και αριθμητικών εργαλείων για την μελέτη της συμπεριφοράς τέτοιων υλικών. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια αποτελεσματική μεθοδολογία προσομοίωσης που εστιάζει στην ανάλυση της μηχανικής συμπεριφοράς πολύστρωτων κατασκευών από ανισότροπα υλικά, οι οποίες υπόκεινται σε ψευδοστατικά και κρουστικά φορτία. Στο πλαίσιο της μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε, μία δομή από πολύστρωτο, σύνθετο υλικό θεωρείται ένα σύνολο διακριτών, αλληλοεπιδρώντων στρώσεων, με βάση τις αρχές της μεθόδου στοιβαζόμενων κελυφών. Η προσομοίωση των υποστρωμάτων πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας δυο προσεγγίσεις: στην πρώτη χρησιμοποιούνται πεπερασμένα στοιχεία κελύφους, ενώ στην δεύτερη τα υποστρώματα διακριτοποιούνται με χρήση ενός άλλου τύπου στοιχείων κελύφους που παρουσιάζουν χαρακτηριστικά τρισδιάστατων στοιχείων, γνωστά ως παχύτοιχα στοιχεία κελύφους. Τα υποστρώματα της πολύστρωτης δομής συνδέονται χρησιμοποιώντας διεπιφάνειες ελατηριακής συμπεριφοράς. Ταυτόχρονα, κατάλληλα μοντέλα για την πρόβλεψη της ενδοστρωματικής και διαστρωματικής αστοχίας ενσωματώνονται στην μεθοδολογία προσομοίωσης πολύστρωτων δομών. Η ανάπτυξη της μεθοδολογίας συνδυάζει διαφορετικές θεωρίες και τεχνικές προσομοίωσης για να ενδυναμώσει την αποδοτικότητα της μεθοδολογίας, διατηρώντας παράλληλα το απαραίτητο επίπεδο ακρίβειας. Η μεθοδολογία ανάλυσης επαληθεύεται χρησιμοποιώντας διαφορετικές περιπτώσεις προσομοιώσεων που καλύπτουν μεγάλο εύρος γεωμετριών και συνθηκών φόρτισης, ώστε να διερευνηθούν η εφαρμοσιμότητα και η απόδοσή της. Αρχικά, εξετάζονται οι δυνατότητες πρόβλεψης της ελαστικής απόκρισης πολύστρωτων δομών υπό ψευδοστατική φόρτιση. Τρία γνωστά προβλήματα που μελετούν γεωμετρίες με μικρές και μεγάλες τιμές πάχους επιλέγονται για την επαλήθευση της μεθοδολογίας προσομοίωσης. Έμφαση δίνεται στις προβλέψεις μέγιστων μετατοπίσεων και στις κατά-το-πάχος κατανομές ενδοστρωματικών και διαστρωματικών τάσεων. Ακολούθως, πραγματοποιείται μια πειραματική διερεύνηση της συμπεριφοράς πολύστρωτων δοκιμίων υπό φόρτιση Τύπου-Ι. Αυτή η σειρά πειραμάτων χρησιμοποιείται για την εξαγωγή χρήσιμων πληροφοριών, οι οποίες λειτουργούν ως βάση σύγκρισης για την επιβεβαίωση της μεθοδολογίας προσομοίωσης σε περιπτώσεις έναρξης και διάδοσης διαστρωματικής αστοχίας. Η επίδραση σημαντικών παραμέτρων μοντελοποίησης στις δυνατότητες πρόβλεψης της μεθοδολογίας εξετάζεται εκτενώς. Στην συνέχεια, η μεθοδολογία ανάλυσης εφαρμόζεται στην περίπτωση προσομοίωσης κρούσης χαμηλής ταχύτητας πάνω σε πολύστρωτες δομές από σύνθετα υλικά. Η προσομοίωση αυτής της πειραματικής διαδικασίας γίνεται για να επιβεβαιωθούν οι δυνατότητες πρόβλεψης των μεθόδων ανάλυσης που παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή, μέσω σύγκρισης των αριθμητικών αποτελεσμάτων με τα αντίστοιχα πειραματικά. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις προβλέψεις για το μέγιστο φορτίο και την αποκόλληση μεταξύ στρώσεων, καθώς και στην διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της μεθοδολογίας σε σχέση με αντίστοιχα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων της σχετικής βιβλιογραφίας. Το τελευταίο βήμα της διαδικασίας επιβεβαίωσης των δυνατοτήτων της μεθοδολογίας ανάλυσης αφορά στην εφαρμογή των μοντέλων που αναπτύχθηκαν στην προσομοίωση μιας ιδιαίτερα απαιτητικής πειραματικής διαδικασίας, της κρούσης πτηνού σε πολύστρωτα πάνελ από σύνθετο υλικό. Εξετάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά και οι παράμετροι που επηρεάζουν την προσομοίωση ενός υποκατάστατου πτηνού. Η επιβεβαίωση της μεθοδολογίας επιτυγχάνεται μέσω σύγκρισης των αριθμητικών αποτελεσμάτων με αποτελέσματα από κάμερες υψηλής ταχύτητας που χρησιμοποιήθηκαν κατά την πειραματική διαδικασία για την καταγραφή του φαινομένου. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε αποτελεί ένα στιβαρό αριθμητικό εργαλείο ανάλυσης που παρέχει την απαραίτητη ακρίβεια πρόβλεψης, χωρίς να θυσιάζει την υπολογιστική αποτελεσματικότητα για να το επιτύχει. Η εφαρμογή της μεθοδολογίας σε περιπτώσεις που καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος γεωμετριών, πάχους δοκιμίων και συνθηκών φόρτισης για την επιβεβαίωση της συμπεριφοράς της, δείχνει τις εγγενείς δυνατότητες των μοντέλων προσομοίωσης που αναπτύχθηκαν για την πρόβλεψη της ελαστικής απόκρισης και της αστοχίας σε πολύστρωτες δομές από σύνθετα υλικά.