Interfacial fracture of co-consolidated thermoplastic composite joints subjected to quasi-static and fatigue loading conditions
Authors: Σιούτης Ιωάννης 
Published: April 2024

Τις τελευταίες δύο δεκαετίες τα σύνθετα υλικά έχουν εξελιχθεί σε βασικό υλικό των αεροπορικών κατασκευών. Τα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά κερδίζουν συνεχώς έδαφος σε σχέση με τα θερμοσκληρυνόμενα εξαιτίας της υψηλής τους αντοχής σε κρουστικά φορτία, της συγκολλησιμότητας και της ανακυκλωσιμότητάς τους. Για τη μέγιστη εκμετάλλευση των πλεονεκτημάτων των θερμοπλαστικών υλικών και τη μείωση του κόστους παραγωγής είναι απαραίτητη η κατασκευή μεγάλων και ενιαίων δομικών τμημάτων και η αντικατάσταση των μηχανικών συνδέσεων με εναλλακτικούς τρόπους σύνδεσης όπως η σύνδεση με κόλλα, ο συμπολυμερισμός και η συγκόλληση. Ωστόσο, οι προαναφερθέντες εναλλακτικοί τρόποι σύνδεσης δεν έχουν λάβει ακόμα πιστοποίηση για χρήση σε πρωτεύοντα δομικά στοιχεία. Ένα από τα μέσα συμμόρφωσης, που προτείνονται από την EASA, είναι η ενσωμάτωση στην κατασκευή στοιχείων διακοπής της αποσύνδεσης τα οποία θα επιβραδύνουν την εξέλιξη των αστοχιών στις συνδέσεις πέρα από κάποιο κρίσιμο μέγεθος ανάμεσα στα διαστήματα επιθεώρησης της κατασκευής. Σε αυτήν την προσπάθεια, είναι πολύ σημαντική η κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς της θερμοπλαστικής σύνθετης στρώσης και της θραυστομηχανικής συμπεριφοράς της θερμοπλαστικής διεπιφάνειας καθώς και η διαθεσιμότητα αξιόπιστων αριθμητικών μοντέλων προσομοίωσης. Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκαν αριθμητικά μοντέλα για την προσομοίωση της διεπιφανειακής αστοχίας σε συνδέσεις συμπολυμερισμού θερμοπλαστικών υλικών υποβαλλόμενες σε ψευδοστατικά φορτία και κόπωση, τα οποία αφού επαληθεύτηκαν μέσω σύγκρισης με πειραματικά δεδομένα, χρησιμοποιήθηκαν για το σχεδιασμό και την αξιολόγηση συνδέσεων με δύο διαφορετικούς μηχανισμούς της αποσύνδεσης: των σημειακών συγκολλήσεων δια τριβής μέσω ανάδευσης και πλήρωσης, και των ηλώσεων τριβής ανάδευσης χαμηλής διάτμησης με επαγωγή. Η επιλογή των συγκεκριμένων μηχανισμών διακοπής της αποσύνδεσης έγινε μετά από εκτεταμένη βιβλιογραφική έρευνα και μελέτη η οποία αφορούσε γενικά τους μηχανισμούς διακοπής της αποσύνδεσης σε συνδέσεις σύνθετων υλικών. Τα αριθμητικά μοντέλα βασίζονται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και αναπτύχθηκαν με χρήση του εμπορικού κώδικα LS-Dyna. Για την προσομοίωση της βλάβης στη θερμοπλαστική συμπολυμερισμένη διεπιφάνεια χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της ζώνης συνοχής. Για τη μελέτη της παρούσας διατριβής, χρησιμοποιήθηκε το θερμοπλαστικό υλικό LM-PAEK με ενίσχυση ινών άνθρακα Τ700. Ένα μεγάλο μέρος της διατριβής διεξήχθη στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος “TORNADO” (Innovative Disbond Arrest Features for Long Thermoplastic Welded Joints, EC Clean Sky 2, 2021-2023). Για την εξαγωγή δεδομένων εισόδου και την επαλήθευση των αριθμητικών μοντέλων σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε μια εκτενής πειραματική σειρά. Συγκεκριμένα, διεξήχθησαν πειράματα σε δοκίμια διπλής προβόλου δοκού (DCB), δοκίμια κάμψης με εγκοπή στο άκρο (ENF), δοκίμια διάτμησης μονής επικάλυψης (SLS) και δοκίμια διάτμησης ρωγμής-επικάλυψης (CLS), τα οποία υπεβλήθησαν σε ψευδοστατική φόρτιση και κόπωση. Τα πειράματα διεξήχθησαν σε δοκίμια αναφοράς και σε δοκίμια με μηχανισμούς διακοπής της αποσύνδεσης. Το μήκος της διεπιφανειακής ρωγμής κατά τη διάρκεια των πειραμάτων μετρήθηκε είτε με οπτικά μέσα ή μέσω ελέγχου με ακουστικούς υπέρηχους που διενεργήθηκαν ανάμεσα σε διαστήματα διακοπής των μηχανικών δοκιμών.Δεδομένου ότι τα περισσότερα κριτήρια αστοχίας και οι κανόνες υποβάθμισης των ιδιοτήτων της σύνθετης στρώσης έχουν αναπτυχθεί για θερμοσκληρυνόμενα σύνθετα υλικά, αρχικά διεξήχθη μια μελέτη εφαρμοσιμότητας των διαθέσιμων κριτηρίων και κανόνων για τα θερμοπλαστικά υλικά. Αξιολογήθηκαν τέσσερα διαφορετικά μοντέλα προοδευτικής εξέλιξης της βλάβης ως προς την ικανότητα προσομοίωσης της μηχανικής συμπεριφοράς, την ικανότητα προσομοίωσης της εξέλιξης της αστοχίας και την ευκολία εφαρμογής/απαιτούμενα δεδομένα. Η βέλτιστη απόδοση επετεύχθη για το συνδυασμό των κριτηρίων αστοχίας τύπου Hashin και της υποβάθμισης μέσω ενός μοντέλου της μηχανικής του συνεχούς μέσου. Επιπλέον, το εν λόγω μοντέλο υλικού έχει την ικανότητα να προσομοιώνει τη διαστρωματική αστοχία, κάτι το οποίο δεν ισχύει για τα υπόλοιπα μοντέλα.Τα αποτελέσματα από τα πειραμάτα σε δοκίμια SLS ανέδειξαν το φαινόμενο της γεφύρωσης των ινών στην επιφάνεια αστοχίας των θερμοπλαστικών συνδέσεων. Αυτός ο τύπος αστοχίας είναι πολύ συχνός σε θερμοπλαστικές διεπιφάνειες. Δεδομένου ότι οι διαθέσιμοι νόμοι έλξης-διαχωρισμού στη μέθοδο της ζώνης συνοχής είναι κατάλληλοι μόνο για την προσομοίωση της αστοχίας συνοχής (cohesive), στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε ένας τροποποιημένος νόμος διαχωρισμού έλξης τρι-γραμμικής μορφής, που προκύπτει από την υπέρθεση των διγραμμικών συμπεριφορών της θερμοπλαστικής μήτρας και των ινών, για την προσομοίωση της αστοχίας της γεφύρωσης των ινών. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα από τις δοκιμές τύπου I (DCB) και τύπου II (ENF) για την κατασκευή των καμπυλών αντίστασης στη διάδοση της ρωγμής (R-curves) της διεπιφάνειας για το άνοιγμα και την ολίσθηση της ρωγμής. Οι καμπύλες ενσωματώθηκαν στα αριθμητικά μοντέλα χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο υλικού που ορίζεται από το χρήστη και αναπτύχθηκε στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων LS-Dyna. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος για την εξαγωγή του νόμου γεφύρωσης των ινών απευθείας από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για συνεχή παρακολούθηση της ρωγμής κατά τη διάρκεια της ανάλυσης. Το τελικό μοντέλο αναπαρήγαγε με σημαντικά βελτιωμένη ακρίβεια την αστοχία των δοκιμίων SLS. Για την προσομοίωση της εξέλιξης της ρωγμής στη διεπιφάνεια των συμπολυμερισμένων θερμοπλαστικών συνδέσεων λόγω της εφαρμογής μικτού τύπου φόρτισης κόπωσης αναπτύχθηκε ένα νέο μοντέλο διάδοσης ρωγμών με βάση τη μέθοδο της ζώνης συνοχής. Το μοντέλο σχεδιάστηκε ειδικά για να λαμβάνει υπόψη οποιαδήποτε αναλογία μίξης των φορτίων τύπου I και II, απαιτώντας δεδομένα εισόδου από αντίστοιχες καθαρές φορτίσεις. Ο ρυθμός εξέλιξης της διεπιφανειακής ρωγμής ενημερώνεται συνεχώς χρησιμοποιώντας μια συνάρτηση του ρυθμού απελευθέρωσης ενέργειας και της αναλογίας μίξης των φορτίων η οποία υπολογίζεται μέσω ενός γραμμικού νόμου. Το μοντέλο μπορεί να εφαρμοστεί για φορτίσεις ελεγχόμενες από δύναμη και μετατόπιση, και για κατασκευές από το δοκίμιο εώς μεγαλύτερα δομικά στοιχεία, οπώς είναι τα ενισχυμένα κελύφη. Για την υλοποίηση του μοντέλου αναπτύχθηκε μια υπορουτίνα που ορίζεται από το χρήστη στο λογισμικό LS-Dyna FE. Τα αριθμητικά αποτελέσματα έδειξαν ότι το μοντέλο αναπαράγει με ακρίβεια τη διάδοση ρωγμών κόπωσης για φορτίσεις τύπου I και II και μικτού τύπου σε δοκίμιαDCB, ENF, SLS και CLS αντίστοιχα.Αφού επαληθεύτηκαν τα μοντέλα της κόπωσης και της γεφύρωσης των ινών, στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο της αποτελεσματικότητας και τον παραμετρικό σχεδιασμό των μηχανισμών διακοπής της αποσύνδεσης στα δοκίμια CLS και σε δομικό στοιχείο με μία δοκό ενίσχυσης (mono-stiffener element) με αρχική διεπιφανειακή βλάβη για ψευδοστατική φόρτιση και κόπωση. Οι παράμετροι που μελετήθηκαν είναι η διάμετρος του μηχανισμού, ο αριθμός των μηχανισμών και η απόστασή τους από την αρχική αποσύνδεση. Η επίδραση και των δύο μηχανισμών στα δοκίμια CLS για τη ψευδοστατική φόρτιση ήταν αμελητέα. Ωστόσο, για την κόπωση και οι δύο μηχανισμοί πέτυχαν σημαντική επιβράδυνση της εξέλιξης της διεπιφανειακής ρωγμής. Ο μηχανισμός της σημειακής συγκόλλησης διά τριβής μέσω ανάδευσης και πλήρωσης αποδίδει καλύτερα σε σχέση με τον μηχανισμό της ήλωσης τριβής ανάδευσης χαμηλής διάτμησης με επαγωγή καθόσον έχει εξελιχθεί περισσότερο κατασκευαστικά, ενώ φαίνεται ότι μπορεί να αποδόσει ικανοποιητικά και ως μέσο σύνδεσης. Στο δομικό στοιχείο με μία δοκό ενίσχυσης ο μηχανισμός της σημειακής συγκόλλησης δια τριβής μέσω ανάδευσης και πλήρωσης πέτυχε επιβράδυνση της αποσύνδεσης για τη φόρτιση της κόπωσης ενώ ο μηχανισμός της ήλωσης τριβής ανάδευσης χαμηλής διάτμησης με επαγωγή δεν είχε καμία επίδραση στην διεπιφανειακή αστοχία. Όλες οι γεωμετρικές παράμετροι που εξετάστηκαν βρέθηκαν να έχουν σημαντική επίδραση στην αποδοτικότητα των μηχανισμών διακοπής της αποσύνδεσης, ωστόσο η πιο σημαντική επίδραση έρχεται από τη διάμετρο των μηχανισμών. Όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος τόσο πιο σημαντική η επιβράδυνση στο ρυθμό της αποσύνδεσης. Σημειώνεται ότι παρόμοια αποτελέσματα σχετικά με την αποδοτικότητα των μηχανισμών διακοπής ανάμενονται και για τις συγκολλήσεις των θερμοπλαστικών υλικών εξαιτίας της παρόμοιας θραυστομηχανικής συμπεριφοράς της συμπολυμερισμένης διεπιφάνειας και της ραφής συγκόλλησης. Συμπερασματικά, και οι δύο μηχανισμοί εμφανίζουν υψηλή προοπτική για χρήση σε κατασκευές από θερμοπλαστικά υλικά και ιδιαίτερα ο μηχανισμός της σημειακής συγκόλλησης διά τριβής μέσω ανάδευσης και πλήρωσης. Συνοπτικά, στο πλαίσιο της παρούσης διατριβής μελετήθηκε πειραματικά η διεπιφανειακή αστοχία συμπολυμερισμένων θερμοπλαστικών σύνθετων υλικών και αναπτύχθηκαν αριθμητικές μεθοδολογίες για την ανάλυση και το σχεδιασμό θερμοπλαστικών συνδέσεων με μηχανισμούς διακοπής της αποσύνδεσης. Από τις μεθοδολογίες και τα αποτελέσματα της διατριβής προκύπτουν οι εξής βασικές καινοτομίες: διεξήχθη πλήρης πειραματικός χαρακτηρισμός της σύνδεσης μέσω συμπολυμερισμού για το υλικό LM-PAEK/T700, αναπτύχθηκε, υλοποιήθηκε αριθμητικά και επιβεβαιώθηκε πειραματικά ένας νέος τρι-γραμμικός νόμος έλξης-διαχωρισμού στη μέθοδο της ζώνης συνοχής για την προσομοίωση της γεφύρωσης των ινών σε θερμοπλαστικές διεπιφάνειες, αναπτύχθηκε, υλοποιήθηκε αριθμητικά και επιβεβαιώθηκε πειραματικά ένα νέο μοντέλο για την προσομοίωση της διεπιφανειακής αστοχίας λόγω κόπωσης σε θερμοπλαστικές διεπιφάνειες, μελετήθηκε αριθμητικά η αποδοτικότητα δύο νέων μηχανισμών διακοπής της αποσύνδεσης σε συμπολυμερισμένες θερμοπλαστικές συνδέσεις σε επίπεδο δοκιμίων και ενός δομικοού στοιχείου και διεξήχθη παραμετρική μελέτη για την επίδραση στην αποδοτικότητα των μηχανισμών ορισμένων βασικών γεωμετρικών παραμέτρων.