Προσομοίωση ανίχνευσης βλάβης μέσω ωστικού κύματος λέιζερ σε σύνθετα υλικά
Οι ανάγκες για ελαφρύτερα υλικά εξοικονόμησης ενέργειας με χαμηλό κόστος, υψηλές τιμές αντοχής, δυσκαμψίας και ειδικών ιδιοτήτων προώθησαν την ανάπτυξη και εφαρμογή των σύνθετων υλικών σε διάφορους κατασκευαστικούς τομείς όπως η αεροναυπηγική, αεροδιαστημική και σε διάφορες βιομηχανίες παραγωγής. Η...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Μορφή: | Thesis |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2020
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/13409 |
| id |
nemertes-10889-13409 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Σύνθετα υλικά Ωστικό κύμα λέιζερ Συγκολλημένα σύνθετα υλικά Ζώνη συνοχής Composite materials Laser induced shock wave Bonded composites Cohesive zone |
| spellingShingle |
Σύνθετα υλικά Ωστικό κύμα λέιζερ Συγκολλημένα σύνθετα υλικά Ζώνη συνοχής Composite materials Laser induced shock wave Bonded composites Cohesive zone Παπαδόπουλος, Κοσμάς Προσομοίωση ανίχνευσης βλάβης μέσω ωστικού κύματος λέιζερ σε σύνθετα υλικά |
| description |
Οι ανάγκες για ελαφρύτερα υλικά εξοικονόμησης ενέργειας με χαμηλό κόστος, υψηλές τιμές αντοχής, δυσκαμψίας και ειδικών ιδιοτήτων προώθησαν την ανάπτυξη και εφαρμογή των σύνθετων υλικών σε διάφορους κατασκευαστικούς τομείς όπως η αεροναυπηγική, αεροδιαστημική και σε διάφορες βιομηχανίες παραγωγής. Η χρήση των συνδέσεων με κόλλα έναντι των μηχανικών συνδέσεων ξεκίνησαν να χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύνδεση σύνθετων υλικών λόγω του περιορισμού συγκέντρωσης τάσεων, στις περιοχές των συνδέσεων, και λόγω της απλούστερης επεξεργασίας και προετοιμασίας του υλικού που πρόκειται να συνδεθεί. Αυτό το πλεονέκτημα προϋποθέτει την ύπαρξη των κατάλληλων ιδιοτήτων πρόσφυσης της επιφάνειας. Αφού εφαρμοστεί η κόλλα στο σύνθετο, θα πρέπει να ελεγχθεί η ασφάλεια και η αξιοπιστία μέσω της ποιοτικής και ποσοτικής αντοχής της σύνδεσης. Οι μη καταστροφικοί έλεγχοι που έχουν εφαρμοστεί όπως, η χρήση μη γραμμικών υπέρηχων, LASER κι άλλες συμβατικές μέθοδοι δεν επέφεραν τα επιθυμητά αποτελέσματα στον προσδιορισμό της αντοχής της και της ανίχνευσης ασθενών δεσμών. Η αδυναμία αυτή δημιούργησε την ανάγκη για την ανάπτυξη της μεθόδου LASAT (Laser Shock Adhesion Test). Με τη μέθοδο αυτή εφαρμόζεται εφελκυστική τάση στην περιοχή της κόλλας με στόχο τον προσδιορισμό της μέγιστης τιμής της, χωρίς να επέλθει αστοχία. Η μέθοδος LASAT [3] μεταφέρει ποσότητα ενέργειας (Ι) με χρήση LASER για ορισμένο χρονικό διάστημα (τ) , δημιουργώντας έτσι προφίλ πίεσης που διαδίδεται στο υλικό με τη μορφή κύματος πίεσης. Για την αποφυγή θερμικών τάσεων, εφαρμόζεται προστατευτικό φύλλο αλουμινίου και στρώμα νερού. Η αναπαράσταση του προβλήματος με τη χρήση προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων απαιτεί την καλή γνώση της φυσικής που λαμβάνει χώρα κατά τη διεξαγωγή του πειράματος ώστε να αποφευχθούν αποκλίσεις κατά τη μοντελοποίηση και λήψη των αριθμητικών αποτελεσμάτων. Οι αποκλίσεις αυτές είναι οι διάφορες απώλειες ενέργειας, ο τρόπος προσδιορισμού κι επιλογής των ιδιοτήτων του υλικού που συμπεριλαμβάνονται στην ανάλυση, ο τρόπος με τον οποίο εφαρμόζεται το προφίλ πίεσης κι ο ορισμός των συνοριακών συνθηκών. Για να υπάρχει συμφωνία μεταξύ πειραματικών και αριθμητικών αποτελεσμάτων, ελέγχεται η ενέργεια κλεψίδρας [1], σε σχέση με την ολική ενέργεια καθώς επίσης κι η ταχύτητα του σημείου κάτω από την επιφάνεια φόρτισης. Στην εισαγωγή παρουσιάζονται οι διάφορες χρήσεις του LASER. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται το θεωρητικό πλαίσιο της εργασίας. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα στοιχεία μοντελοποίησης και τα διάφορα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων που εξετάζονται. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο τρόπος επαλήθευσης του μοντέλου. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα εξετάζοντας την εξέλιξη αποκόλλησης της ζώνης συνοχής, τις τάσεις σx και σz¬ στην περιοχή αυτή και την αστοχία στο σύνθετο υλικό. Τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική διερεύνηση. |
| author2 |
Τσερπές, Κωνσταντίνος |
| author_facet |
Τσερπές, Κωνσταντίνος Παπαδόπουλος, Κοσμάς |
| format |
Thesis |
| author |
Παπαδόπουλος, Κοσμάς |
| author_sort |
Παπαδόπουλος, Κοσμάς |
| title |
Προσομοίωση ανίχνευσης βλάβης μέσω ωστικού κύματος λέιζερ σε σύνθετα υλικά |
| title_short |
Προσομοίωση ανίχνευσης βλάβης μέσω ωστικού κύματος λέιζερ σε σύνθετα υλικά |
| title_full |
Προσομοίωση ανίχνευσης βλάβης μέσω ωστικού κύματος λέιζερ σε σύνθετα υλικά |
| title_fullStr |
Προσομοίωση ανίχνευσης βλάβης μέσω ωστικού κύματος λέιζερ σε σύνθετα υλικά |
| title_full_unstemmed |
Προσομοίωση ανίχνευσης βλάβης μέσω ωστικού κύματος λέιζερ σε σύνθετα υλικά |
| title_sort |
προσομοίωση ανίχνευσης βλάβης μέσω ωστικού κύματος λέιζερ σε σύνθετα υλικά |
| publishDate |
2020 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/13409 |
| work_keys_str_mv |
AT papadopouloskosmas prosomoiōsēanichneusēsblabēsmesōōstikoukymatosleizersesynthetaylika AT papadopouloskosmas numericalmodelingofdamagedetectionbylaserinducedshockwaveoncompositematerials |
| _version_ |
1771297297442799616 |
| spelling |
nemertes-10889-134092022-09-05T20:20:45Z Προσομοίωση ανίχνευσης βλάβης μέσω ωστικού κύματος λέιζερ σε σύνθετα υλικά Numerical modeling of damage detection by laser induced shock wave on composite materials Παπαδόπουλος, Κοσμάς Τσερπές, Κωνσταντίνος Τσερπές, Κωνσταντίνος Λαμπέας, Γεώργιος Παντελάκης, Σπύρος Papadopoulos, Kosmas Σύνθετα υλικά Ωστικό κύμα λέιζερ Συγκολλημένα σύνθετα υλικά Ζώνη συνοχής Composite materials Laser induced shock wave Bonded composites Cohesive zone Οι ανάγκες για ελαφρύτερα υλικά εξοικονόμησης ενέργειας με χαμηλό κόστος, υψηλές τιμές αντοχής, δυσκαμψίας και ειδικών ιδιοτήτων προώθησαν την ανάπτυξη και εφαρμογή των σύνθετων υλικών σε διάφορους κατασκευαστικούς τομείς όπως η αεροναυπηγική, αεροδιαστημική και σε διάφορες βιομηχανίες παραγωγής. Η χρήση των συνδέσεων με κόλλα έναντι των μηχανικών συνδέσεων ξεκίνησαν να χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύνδεση σύνθετων υλικών λόγω του περιορισμού συγκέντρωσης τάσεων, στις περιοχές των συνδέσεων, και λόγω της απλούστερης επεξεργασίας και προετοιμασίας του υλικού που πρόκειται να συνδεθεί. Αυτό το πλεονέκτημα προϋποθέτει την ύπαρξη των κατάλληλων ιδιοτήτων πρόσφυσης της επιφάνειας. Αφού εφαρμοστεί η κόλλα στο σύνθετο, θα πρέπει να ελεγχθεί η ασφάλεια και η αξιοπιστία μέσω της ποιοτικής και ποσοτικής αντοχής της σύνδεσης. Οι μη καταστροφικοί έλεγχοι που έχουν εφαρμοστεί όπως, η χρήση μη γραμμικών υπέρηχων, LASER κι άλλες συμβατικές μέθοδοι δεν επέφεραν τα επιθυμητά αποτελέσματα στον προσδιορισμό της αντοχής της και της ανίχνευσης ασθενών δεσμών. Η αδυναμία αυτή δημιούργησε την ανάγκη για την ανάπτυξη της μεθόδου LASAT (Laser Shock Adhesion Test). Με τη μέθοδο αυτή εφαρμόζεται εφελκυστική τάση στην περιοχή της κόλλας με στόχο τον προσδιορισμό της μέγιστης τιμής της, χωρίς να επέλθει αστοχία. Η μέθοδος LASAT [3] μεταφέρει ποσότητα ενέργειας (Ι) με χρήση LASER για ορισμένο χρονικό διάστημα (τ) , δημιουργώντας έτσι προφίλ πίεσης που διαδίδεται στο υλικό με τη μορφή κύματος πίεσης. Για την αποφυγή θερμικών τάσεων, εφαρμόζεται προστατευτικό φύλλο αλουμινίου και στρώμα νερού. Η αναπαράσταση του προβλήματος με τη χρήση προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων απαιτεί την καλή γνώση της φυσικής που λαμβάνει χώρα κατά τη διεξαγωγή του πειράματος ώστε να αποφευχθούν αποκλίσεις κατά τη μοντελοποίηση και λήψη των αριθμητικών αποτελεσμάτων. Οι αποκλίσεις αυτές είναι οι διάφορες απώλειες ενέργειας, ο τρόπος προσδιορισμού κι επιλογής των ιδιοτήτων του υλικού που συμπεριλαμβάνονται στην ανάλυση, ο τρόπος με τον οποίο εφαρμόζεται το προφίλ πίεσης κι ο ορισμός των συνοριακών συνθηκών. Για να υπάρχει συμφωνία μεταξύ πειραματικών και αριθμητικών αποτελεσμάτων, ελέγχεται η ενέργεια κλεψίδρας [1], σε σχέση με την ολική ενέργεια καθώς επίσης κι η ταχύτητα του σημείου κάτω από την επιφάνεια φόρτισης. Στην εισαγωγή παρουσιάζονται οι διάφορες χρήσεις του LASER. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται το θεωρητικό πλαίσιο της εργασίας. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα στοιχεία μοντελοποίησης και τα διάφορα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων που εξετάζονται. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο τρόπος επαλήθευσης του μοντέλου. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα εξετάζοντας την εξέλιξη αποκόλλησης της ζώνης συνοχής, τις τάσεις σx και σz¬ στην περιοχή αυτή και την αστοχία στο σύνθετο υλικό. Τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική διερεύνηση. The need of lighter energy-saving materials with low cost, high durability, stiffness and special properties promoted the development and application of composites in various manufacturing sectors such as aeronautics, aerospace and various manufacturing industries. The use of adhesive joints over mechanical joints has begun to be widely used in composite materials due to the stress concentration limitation in the joint areas and due to simpler processing and preparation of the material to be bonded. This advantage presupposes the existence of appropriate surface adhesion properties. Once the adhesive is applied to the composite, safety and reliability should be tested through the qualitative and quantitative strength of the joint. Non-destructive tests such as the use of nonlinear ultrasound, LASER and other conventional methods have not yielded the desired results in determining its strength and detecting weak bonds. This weakness created the need to develop the LASAT (Laser Shock Adhesion Test) method. This method applies a tensile stress in the area of the adhesive to determine its maximum value without failure. The LASAT method [3] transfers a quantity of energy (I) using LASER for a certain period of time (t), thereby generating a pressure profile propagated to the material in the form of a shock wave. To avoid heat stress, a sacrificial layer and a water layer are applied. Representing the problem using a finite element program requires a good understanding of the physics involved in conducting the experiment to avoid deviations in modeling and obtaining the numerical results. These discrepancies are the various energy losses, the way the properties of the material included in the analysis are determined and selected, the way the pressure profile is applied, and the definition of boundary conditions. For agreement between the experimental and numerical results, the hourglass energy [1] is compared with the total energy as well as the back-face velocity is checked. The introduction presents the various uses of LASER. The second chapter presents the theoretical framework of the work. The third chapter presents the modeling elements and the various finite element models under consideration. The fourth chapter describes how to validate the model. The fifth chapter presents the results by examining the evolution of the cohesion zone detachment, the stresses σx and σz in this region and the failure in the composite material. Finally, conclusions and suggestions for future investigation are presented. 2020-03-25T22:10:33Z 2020-03-25T22:10:33Z 2020-03-15 Thesis http://hdl.handle.net/10889/13409 gr 0 An error occurred getting the license - uri. application/pdf |
