Αριθμητική και πειραματική διερεύνηση της αστοχίας συνδέσεων με κόλλα σύνθετων υλικών με μηχανισμούς διακοπής της αποκόλλησης με έμφαση στην προσομοίωση της εξέλιξης της αποκόλλησης σε κόπωση
Authors: Φλώρος Ιωάννης 
Published: September 2021

Στην παρούσα Διδακτορική διατριβή, πραγματοποιήθηκε αριθμητική και πειραματική διερεύνηση της αστοχίας συνδέσεων με κόλλα συνθέτων υλικών με μηχανισμούς διακοπής της αποκόλλησης και αναπτύχθηκε νέα αριθμητική μεθοδολογία με βάση τη Μέθοδο Ζώνης Συνοχής για την προσομοίωση της αποκόλλησης σε φόρτιση κόπωσης. Η μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε συνδέσεις με κόλλα με μηχανισμούς διακοπής της αποκόλλησης. Οι μηχανισμοί διακοπής της αποκόλλησης που μελετήθηκαν είναι η αυλάκωση, η οποία ανήκει στην κατηγορία των γεωμετρικών τροποποιήσεων, και οι κοχλίες σύσφιξης, οι οποίοι ανήκουν στην κατηγορία των ενισχύσεων κατά το πάχος. Ένα μεγάλο τμήμα της Διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος BOPACS.Αρχικά, πραγματοποιήθηκε ένα εκτενές πειραματικό πρόγραμμα για τον χαρακτηρισμό των συνδέσεων με κόλλα και την εξαγωγή παραμέτρων εισόδου δεδομένων επαλήθευσης των αριθμητικών μοντέλων. Το πρόγραμμα περιλαμβάνει δοκιμές δυσθραυστότητας τύπου-Ι υπό ψευδοστατικά και δυναμικά φορτία με χρήση του δοκιμίου διπλής προβόλου δοκού, δοκιμές δυσθραυστότητας τύπου-ΙΙ υπό ψευδοστατικά και δυναμικά φορτία με χρήση του δοκιμίου κάμψης με εγκοπή στο άκρο, δοκιμές δυσθραυστότητας μικτού τύπου Ι+ΙΙ υπό ψευδοστατικά φορτία με χρήση του δοκιμίου φόρτισης μικτού τύπου Ι+ΙΙ και δοκιμές αξονικού εφελκυσμού σε δοκίμια με πλάκες διαφορετικού μήκους υπό ψευδοστατικά και δυναμικά φορτία. Συμπληρωματικά στις παραπάνω δοκιμές, στην παρούσα εργασία, χρησιμοποιήθηκαν αποτελέσματα από δοκιμές που διεξήχθησαν από συνεργάτες του προγράμματος BOPACS.Οι συνδέσεις με κόλλα, οι οποίες μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία, αποτελούνται από πλάκες από υλικό CFRP και εποξική κόλλα είτε τύπου-φιλμ είτε τύπου-πάστας. Για την προσομοίωση της εξέλιξης της αποκόλλησης επιλέχθηκαν οι θεωρίες της Μεθόδου Ζώνης Συνοχής και της Τεχνικής Εικονικού Κλεισίματος της Ρωγμής οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την προσομοίωση της διαστρωματικής αποκόλλησης σε πολύστρωτες πλάκες. Για την ανάπτυξη των μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων των συνδέσεων και τη διεξαγωγή των αναλύσεων, χρησιμοποιήθηκαν οι εμπορικοί κώδικες ANSYS και LS-DYNA. Όπου κρίθηκε απαραίτητο, παράλληλα με την προσομοίωση της αποκόλλησης, προσομοιώθηκε και η βλάβη στο σύνθετο υλικό με χρήση της μεθόδου προοδευτικής εξέλιξης της βλάβης. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή, η μέθοδος χρησιμοποιεί μια εμπλουτισμένη ομάδα κριτηρίων αστοχίας τύπου-Hashin και μια μέθοδο σταδιακής υποβάθμισης των ιδιοτήτων που βασίζεται στη χαλάρωση της παραμόρφωσης.Στην παρούσα εργασία, για την προσομοίωση της εξέλιξης της αποκόλλησης σε κόπωση αναπτύχθηκε μια τροποποιημένη Μέθοδος Ζώνης Συνοχής η οποία βασίζεται στη σταδιακή υποβάθμιση της αντοχής των στοιχείων συνοχής συναρτήσει των κύκλων κόπωσης. Αναπτύχθηκαν δύο μεθοδολογίες υποβάθμισης της αντοχής των στοιχείων συνοχής, μία με βάση την πλήρως ανεπτυγμένη ζώνη συνοχής και μία με βάση το ενεργό μήκος του στοιχείου. Η δεύτερη μέθοδος εμφανίζει το πλεονέκτημα έναντι της πρώτης της μικρότερης συσχέτισης με την πυκνότητα του πλέγματος της κόλλας. Για την υλοποίηση της τροποποιημένης Μεθόδου Ζώνης Συνοχής για δυναμική φόρτιση, προγραμματίστηκε παραμετρική υπο-ρουτίνα στον κώδικα LS-DYNA (MAT_USER_DEFINED_MATERIAL_MODEL) χρησιμοποιώντας τη γλώσσα προγραμματισμού Fortran. Η ρουτίνα αναπτύχθηκε με παραμετρικό τρόπο ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί με ευκολία σε συνδέσεις διαφορετικής γεωμετρίας και υλικού κόλλας.Όλα τα αριθμητικά μοντέλα των δοκιμίων και των δομικών στοιχείων επαληθεύτηκαν μέσω σύγκρισης των αριθμητικών αποτελεσμάτων από ψευδοστατικές και δυναμικές αναλύσεις (κόπωση και κρούση) με πειραματικά αποτελέσματα. Η σύγκριση έγινε σε όρους καμπυλών δύναμης-μετατόπισης, ρυθμού εξέλιξης της αποκόλλησης, επιφανειακών παραμορφώσεων και έκτασης βλάβης κρούσης. Σε όλες τις περιπτώσεις, παρατηρήθηκε ικανοποιητική συμφωνία.Χρησιμοποιώντας τα αριθμητικά μοντέλα, μελετήθηκε η αποτελεσματικότητα δύο μηχανισμών διακοπής της αποκόλλησης και πραγματοποιήθηκαν παραμετρικές αναλύσεις ως προς τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά.Για τον μηχανισμό της αυλάκωσης, οι αναλύσεις έδειξαν ότι στην περίπτωση του δοκιμίου διπλής προβόλου δοκού (φόρτιση τύπου-Ι) υπό ψευδοστατικό φορτίο, η εξέλιξη της αποκόλλησης διακόπτεται στην περιοχή της αυλάκωσης. Επίσης, τα αποτελέσματα της παραμετρικής ανάλυσης έδειξαν ότι δεν υπάρχει σημαντική επίδραση της διαμέτρου και του ύψους της αυλάκωσης στον ρυθμό της διακοπής της αποκόλλησης. Ωστόσο, ο μηχανισμός της αυλάκωσης κρίνεται συνολικά μη αποδοτικός λόγω του ότι ψευδοστατικές αναλύσεις και δοκιμές κόπωσης σε δοκίμια με πλάκες διαφορετικού μήκους (φόρτιση τύπου Ι+ΙΙ) έδειξαν έναρξη της αποκόλλησης και καταστροφική αστοχία των πλακών από σύνθετο υλικό στην περιοχή της αυλάκωσης στα πρώτα στάδια της φόρτισης.Ο μηχανισμός των κοχλιών σύσφιξης μελετήθηκε αρχικά στο δοκίμιο πλακών διαφορετικού μήκους με έναν κοχλία υπό ψευδοστατικά και δυναμικά φορτία. Και στις δύο περιπτώσεις φόρτισης, οι αναλύσεις έδειξαν σημαντική επιβράδυνση της εξέλιξης της αποκόλλησης στην περιοχή του κοχλία. Με βάση αυτά τα θετικά αποτελέσματα, η μελέτη επεκτάθηκε στο δομικό στοιχείο της σύνδεσης με κόλλα μονής επικάλυψης μεγάλου πλάτους. Αρχικά, στο δομικό στοιχείο θεωρήθηκε τεχνητή αρχική αποκόλληση. Μοντελοποιήθηκαν δύο σειρές κοχλιών, μία σε κάθε πλευρά της αρχικής αποκόλλησης. Για όλες τις περιπτώσεις που μελετήθηκαν, τα αριθμητικά αποτελέσματα έδειξαν σημαντική επιβράδυνση της εξέλιξης της αποκόλλησης λόγω της παρουσίας των κοχλιών, η οποία οδηγεί σε αύξηση του μέγιστου φορτίου και της μέγιστης εφαρμοζόμενης μετατόπισης της σύνδεσης. Η επίδραση των κοχλιών είναι μεγαλύτερη όσο πιο κοντά βρίσκονται στην αρχική αποκόλληση. Στη συνέχεια, με σκοπό την εξέταση ενός πιο ρεαλιστικού σεναρίου αρχικής αποκόλλησης, έγινε προσομοίωση κρούσης χαμηλής ταχύτητας στη σύνδεση. Σε αυτήν την περίπτωση, λόγω του ότι οι κοχλίες βρίσκονταν αρκετά μακριά από την αρχική αποκόλληση και η εξέλιξη της αποκόλλησης ήταν πολύ γρήγορη, η παρουσία των κοχλιών δεν είχε σημαντική επίδραση στην εξέλιξη της αποκόλλησης που είχε προκληθεί από την κρούση. Από τα αποτελέσματα της μελέτης για τις υβριδικές συνδέσεις προκύπτει ότι οι κοχλίες σύσφιξης αποτελούν έναν υποσχόμενο μηχανισμό διακοπής της αποκόλλησης σε συνδέσεις με κόλλα.Η βασική καινοτομία της παρούσας διατριβής εντοπίζεται στην ανάπτυξη αριθμητικής μεθοδολογίας για την προσομοίωση της αποκόλλησης και εκτίμηση της εναπομένουσας αντοχής συνδέσεων με κόλλα δομικών στοιχείων από σύνθετα υλικά υπό ψευδοστατικά και δυναμικά φορτία (κόπωση και κρούση). Η μεθοδολογία εφαρμόστηκε με επιτυχία σε συνδέσεις πολύπλοκης γεωμετρίας με μηχανισμούς διακοπής της αποκόλλησης, ενώ μπορεί να εφαρμοστεί σε συνδέσεις με κόλλα διαφορετικής γεωμετρίας και διαφορετικών υλικών κόλλας και συνδεόμενων μερών.