title: Ανάλυση αστοχιών οπλικών συστημάτων
title: Failure analysis of military systems
Creators: name: Τρικας Αλεξανδρος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2018

description: Τα σύγχρονα οπλικά συστήματα αποτελούν πολύπλοκα συναρμολογήματα επιμέρους δομικών στοιχείων. Παρά τις εξελίξεις στον τομέα της πολεμικής βιομηχανίας  παρατηρούνται πολλές φορές αστοχίες σε δομικά στοιχεία, ικανές να καταστήσουν ένα σύστημα μη λειτουργικό και να θέσουν σε κίνδυνο τόσο την αποστολή όσο και το προσωπικό. Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή έχει ως θέμα την ανάλυση αστοχιών οπλικών συστημάτων (failure analysis of military systems). Πραγματεύεται δηλαδή, το σύνολο των τεχνικών, των μεθόδων και των κριτηρίων ελέγχου που ένας μηχανικός πρέπει να εφαρμόσει προκειμένου να εξακριβώσει «το πως και το γιατί» ένα σύστημα, υποσύστημα, συγκρότημα ή εξάρτημα σταμάτησε να επιτελεί την λειτουργία για την οποία έχει κατασκευαστεί. 
Γενικά, η ανάλυση αστοχίας ενός συστήματος μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε στο στάδιο της σχεδίασης και κατασκευής του, είτε αφού αυτό έχει τεθεί σε λειτουργία και τελικά αστοχήσει σε κάποια από τις φάσεις τις ζωής του. Στην πρώτη περίπτωση, η ανάλυση αστοχίας έχει σκοπό τον έλεγχο της αξιοπιστίας του συστήματος και την πρόβλεψη μελλοντικών αστοχιών, μειώνοντας έτσι τον κίνδυνο πρόκλησης ατυχημάτων σε προσωπικό, την πιθανότητα απώλειας υλικού ή μόλυνσης του περιβάλλοντος, καθώς  και το κόστος των επισκευών. Στη δεύτερη περίπτωση αντίστοιχα, η ανάλυση αστοχίας διεξάγεται με σκοπό την εύρεση των αιτιών και των παραγόντων που οδήγησαν ένα σύστημα σε αστοχία, καθώς και τον καθορισμό των απαιτούμενων ενεργειών θεραπείας - επισκευής. Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή επικεντρώνεται στη δεύτερη κατηγορία ανάλυσης αστοχιών, αναπτύσσοντας μια γενική μεθοδολογία.
Είναι σκόπιμο να αναφερθεί ότι, όταν μιλάμε για «σύστημα» εννοούμε: «ένα σύνολο αλληλένδετων εξαρτημάτων/δομικών στοιχείων, τα οποία αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κατά έναν οργανωμένο τρόπο προς εκπλήρωση ενός κοινού σκοπού. Τα δομικά στοιχεία ενός συστήματος μπορεί να είναι εντελώς διαφορετικά μεταξύ τους, αποτελούμενα από ανθρώπους, οργανισμούς, διαδικασίες, εξοπλισμό (hardware), λογισμικό (software) και εγκαταστάσεις» (Δάρας, 2014). Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή ο όρος «δομικό στοιχείο» θα χρησιμοποιείται για να υποδηλώσει οποιοδήποτε μέρος του κυρίου οπλικού συστήματος, όπως επιμέρους συστήματα, υποσυστήματα, υποσυγκροτήματα και εξαρτήματα. Η περιστασιακή χρήση του όρου «κατασκευή» θα υποδηλώνει την έννοια του οπλικού συστήματος.
Ο όρος «αστοχία» (failure) υποδηλώνει την οποιαδήποτε αλλαγή που συμβεί σε ένα δομικό στοιχείο συστήματος ή διαδικασίας και έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της ικανότητάς του να εκτελεί ορθά μία προδιαγεγραμμένη λειτουργία για την οποία έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί. Από όλα τα δομικά στοιχεία ενός οπλικού συστήματος, η διατριβή αυτή επικεντρώνεται περισσότερο στην αστοχία του υλικού μέρους αυτού (hardware), κάνοντας ωστόσο μια μικρή αναφορά σε αστοχίες του λογισμικού μέρους (software). Επιπλέον, από το σύνολο του υλικού μέρους ενός συστήματος θα αναλυθούν περισσότερο οι αστοχίες των μηχανικών - μηχανολογικών μερών αυτού, αναφέροντας ωστόσο εν συντομία αστοχίες ηλεκτρονικού - ηλεκτρολογικού εξοπλισμού και αναλύοντας μια περίπτωση αστοχίας ηλεκτρονικού εξαρτήματος.
Όπως είναι γνωστό, το υλικό μέρος ενός συστήματος κατασκευάζεται από μεταλλικά ή μη μεταλλικά υλικά (πολυμερή, σύνθετα). Η επιλογή του καταλληλότερου υλικού για την κατασκευή ενός δομικού στοιχείου εξαρτάται από μια σειρά λειτουργικών απαιτήσεων που πρέπει να ικανοποιήσει. Επιπλέον, λαμβάνονται υπόψη οι φυσικές και μηχανικές ιδιότητες του υλικού, η σύνθεσή του, οι ιδιότητες της επιφάνειάς του και η μικροδομή του. Όσον αφορά τον τρόπο αστοχίας του υλικού, αυτός εκδηλώνεται διαφορετικά στα μέταλλα απ’ ότι στα σύνθετα ή τα πολυμερή υλικά. Ωστόσο, υπάρχουν κάποιοι μηχανισμοί αστοχίας οι οποίοι είναι κοινοί και στους δύο τύπους υλικών (μεταλλικά και μη). Οι κυριότεροι τρόποι αστοχίας που παρατηρούνται στα μεταλλικά υλικά είναι η κόπωση (fatigue), η θραύση (fracture), η διάβρωση (corrosion), η φθορά (wear), η παραμόρφωση (distortion) ή συνδυασμός των ανωτέρω. Η διατριβή αυτή επικεντρώνεται στα μεταλλικά υλικά, αναφέροντας περιληπτικά και τους τρόπους αστοχίας των σύνθετων υλικών.
Οι αστοχίες γενικά μπορεί να οφείλονται σε σχεδιαστικά ή κατασκευαστικά σφάλματα, στον τρόπο χειρισμού του συστήματος, στις συνθήκες λειτουργίας του, στο επίπεδο συντήρησης και επισκευών κ.α. Για την εξακρίβωση των πιθανών αιτιών αστοχίας ενός δομικού στοιχείου χρησιμοποιείται μια σειρά καταστρεπτικών και μη τεχνικών ελέγχου. Στην πρώτη περίπτωση ο έλεγχος πραγματοποιείται χωρίς την πρόκληση καταστροφής στο στοιχείο, ενώ στη δεύτερη περίπτωση απαιτείται η λήψη δείγματος (δοκιμίου) από αυτό για την εκτέλεση περαιτέρω εργαστηριακών ελέγχων. Επιπλέον, η διεξαγωγή μιας ανάλυσης αστοχιών πολυσύνθετου συστήματος, όπως είναι τα οπλικά, απαιτεί τη συνεργασία πολλών επιστημόνων και μηχανικών, προκειμένου το αποτέλεσμα αυτής να είναι γρήγορο και αξιόπιστο. Ο αναλυτής συστημάτων θα πρέπει να είναι πλήρως καταρτισμένος στον τομέα του και να διακατέχεται από ήθος και αρχές. 
Τέλος, με τη διατριβή αυτή συμπεραίνεται ότι κάθε αστοχία είναι μοναδική και πρέπει να αντιμετωπίζεται ως τέτοια. Ακολουθώντας μια συστηματική διαδικασία και μεθοδολογία, προσαρμοσμένη ανά περίπτωση και εκτελώντας μια σειρά από κατάλληλους τεχνικούς ελέγχους (NDT - DT) μπορεί η ομάδα ανάλυσης να καταλήξει σε ένα αξιόπιστο συμπέρασμα για τα αίτια της αστοχίας. Έτσι, η ανάλυση αστοχίας θα μπορεί να αποτελεί εργαλείο για την ορθή επιδιόρθωση της αστοχίας, τη λήψη προληπτικών μέτρων προς αποφυγή μελλοντικών αστοχιών, καθώς και για την αποκατάσταση της αλήθειας μέσω δικαστικών ή διοικητικών διαδικασιών σε περιπτώσεις απώλειας ζωής ή υγείας. 

Ανάπτυξη της μεταπτυχιακής διατριβής

Το 1ο Κεφάλαιο αποτελεί ένα εισαγωγικό μέρος της μεταπτυχιακής διατριβής όπου  αναφέρονται ορισμένα ιστορικά παραδείγματα αστοχίας οπλικών συστημάτων, ενώ γίνεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή σε κριτήρια αστοχίας υλικών.
Στο 2ο Κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία ανάπτυξης ενός οπλικού συστήματος, μιας και οι περισσότερες από τις αστοχίες που παρατηρούνται στην πρώιμη φάση της ζωής του συστήματος οφείλονται σε σχεδιαστικά και κατασκευαστικά λάθη.  Συγκεκριμένα, αναλύεται η έννοια του συστήματος, βασικά στάδια της σχεδίασης και κατασκευής αυτού, η διάρκεια ζωής του, καθώς και η ανοχή του σε ζημία (damage tolerance). Επιπλέον, αναφέρονται εν συντομία οι κύριες κατηγορίες υλικών που χρησιμοποιούνται σε οπλικά συστήματα και ο τρόπος επεξεργασίας και κατεργασίας αυτών.
Στη συνέχεια, το 3ο Κεφάλαιο περιλαμβάνει βασικές έννοιες της Μηχανικής των Θραύσεων - Αντοχής των Υλικών, όπως οι έννοιες της παραμόρφωσης, της θραύσης, της σκληρότητας, της δυσθραυστότητας, του ερπυσμού, της κόπωσης, τρόποι διάδοσης της ρωγμής κ.α. Επιπλέον, γίνεται μια απλή αναφορά σε κριτήρια αστοχίας υλικών, ως συμπλήρωμα της ιστορικής αναδρομής των κριτηρίων αυτών στην εισαγωγή της διατριβής.
Στο 4ο Κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία ανάλυσης αστοχιών, περιλαμβάνοντας διάφορες τεχνικές και μεθοδολογίες. Αρχικά γίνεται αναφορά στα είδη και τους τύπους αστοχιών που παρατηρούνται στο υλικό μέρος ενός συστήματος (hardware - μηχανικό, ηλεκτρονικό, ηλεκτρολογικό), αλλά και στο λογισμικό (software), με έμφαση τις μηχανικές αστοχίες. Επίσης, αναλύονται οι τρόποι αστοχίας ενός δομικού στοιχείου με εμβάθυνση σε αυτούς που εμφανίζονται στα μεταλλικά υλικά, όπως μη αναμενόμενη κόπωση, διάβρωση, φθορά, υπερφόρτωση, παραμόρφωση κ.α., αλλά και τα σύνθετα. Επιπλέον, περιγράφονται οι βασικές μέθοδοι και τεχνικές ελέγχου αστοχίας υλικού (καταστροφικές και μη) σε θεωρητικό επίπεδο, καθώς και χρήσιμα εργαλεία - όργανα που πρέπει ένας αναλυτής να έχει για εκτέλεση εργασιών πεδίου. Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό αναφέρονται και τα βασικά στοιχεία που πρέπει να περιλαμβάνει η τελική αναφορά αστοχίας, καθώς και τα συνήθη σφάλματα στα οποία μπορεί να υποπέσει ένας αναλυτής αστοχιών.
Στο 5ο Κεφάλαιο περιγράφονται κάποιες πραγματικές περιπτώσεις αστοχίας δομικών στοιχείων οπλικών συστημάτων (case studies), στις οποίες αποδεικνύεται ο τρόπος αστοχίας και τα πιθανότερα αίτια που οδήγησαν σε αυτή.
Τέλος, παρατίθενται η βιβλιογραφία - ιστότοποι,  ο επίλογος, παραρτήματα, πίνακας συντμήσεων και κατάλογος σχημάτων και πινάκων. 
description: Although today’s weapon systems are becoming more sophisticated and able to perform complicated functions, they are also more complex, consisted of numerous components and thus, usually more susceptible to failures. In order to avoid potential failures, quality control and assurance activities are being carried out during the stage of design and manufacturing. But, these predictive and preventive measures cannot eliminate the presence of systems’ failures. This thesis addresses the failures of weapon systems that may occur during their life-cycle and deals with the set of techniques and methods that must be systematically carried out by an engineer in order to confirm “HOW and WHY” a system does not perform its intended function. The objective of failure analysis is to identify the causes and the factors of the failure by analyzing failure mechanisms and modes like overstress, fracture, fatigue, corrosion, wear, deformation, etc and in addition to suggest corrective actions.
System failures can be induced by component failures or they can occur as a result of complex component and subsystem interactions, without any parts failing. As far as early failures is concerned, they are usually caused due to manufacturing defects, assembly or implementation faults, design errors, etc, whereas the chance and wear-out failures are generally caused by chance factors (overstresses, inadequate use) and due to wear and lack of maintenance respectively. Moreover, a failure can be occurred in the hardware or in the software part of the system. With regard to hardware failures, they can be observed in the mechanical, electrical, electromechanical or electronic parts of it.  This thesis focuses on the hardware failures and especially on mechanical failures. In addition, components can be manufactured by metallic or non metallic materials (composites, polymeric) which perform different failure modes. This thesis deals mainly with metallic materials failures, while it also provides a brief discussion of composites’ failure modes and a respective case study. 
Finding the root causes of systems failures is far more difficult. Several techniques and methods are used in failure analysis investigation to find out the cause of failure, depending on the severity and type of problem. These techniques range from simple optical macroscopic observations (visual and obvious manifestations) to examinations of samples under a microscope or carrying out other mechanical or chemical analysis. 
This thesis came to the conclusion that each failure is different and it has to be addressed as an unique incident. Only with a systematic failure analysis which deploys all the available techniques and methods (NDT –DT) depending on the type of component failure and the prevailing circumstances, the analyst can identify the causes and the factors that made the system incompetent to function properly. Failure analysis can provide valuable feedback to the product manufacturers and operators for improving design, manufacturing or even maintenance faults that might have been overlooked.  
The thesis is divided in five chapters, as follows: 
Chapter 1: “Introduction”: outlines this thesis and provides some historical examples of military systems’ failures as well as a brief look at criteria of failure throughout the years.
Chapter 2: “Development of a system”: discusses the concept of “system”,  the stages of its life-cycle, the types of the materials that are used in military systems and the respective treatments that are used in order to obtain desirable properties.   
Chapter 3: “Basic concepts of Engineering Fracture Mechanisms”: provides a basic background of fracture mechanics and failure criteria. 
Chapter 4: “Failure Analysis of Systems”: examines the failure analysis purpose and procedure, the fundamental causes and factors of failures, the basic failure modes and mechanisms and finally the basic investigation techniques.
Chapter 5: “Case Studies of Military Systems’ Failures”: examines and discusses eight (8) examples of real-world failures of interest and their respective failure analysis.
Finally, the Epilogue summarizes the thesis conclusion followed by References and some useful appendices, whereas lists of images and matrices included.