Βελτιστοποίηση σχήματος επιθεμάτων επισκευής δομών από σύνθετα υλικά

• Κύριος συγγραφέας: Γιαννούτσου, Μαρία-Παναγιώτα
• Άλλοι συγγραφείς: Giannoutsou, Maria-Panagiota
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Επίθεμα επισκευής; Βελτιστοποίηση; Repair patch; Optimization

Η επισκευή δομών από σύνθετα υλικά αποτελεί μία άμεσα εφαρμόσιμη και οικονομικά συμφέρουσα λύση για την επέκταση της διάρκειας ζωής της κατασκευής. Ιδιαίτερα η επισκευή μέσω επιθεμάτων από σύνθετο υλικό που τοποθετούνται μέσω ενός φιλμ κόλλας σε κατάλληλα διαμορφωμένη εσοχή της επισκευαζόμενης δομής γνωρίζει ευρεία εφαρμογή. Ωστόσο, τα επιθέματα συμβατικού κυκλικού σχήματος έχουν αποδειχθεί συντηρητικές λύσεις για την επισκευή κατασκευών από σύνθετα υλικά και αφήνουν περιθώρια βελτιστοποίησης του σχήματος του επιθέματος, τόσο ως προς την αντοχή , όσο και ως προς τον όγκο υγιούς υλικού που αφαιρείται για να τοποθετηθεί το επίθεμα. Στην παρούσα εργασία διεξήχθη έρευνα για τον προσδιορισμό βέλτιστων ελλειπτικών επιθεμάτων επισκευής τύπου stepped έναντι του βέλτιστου συμβατικού κυκλικού stepped επιθέματος και για την αξιολόγηση της απόδοσης διαφόρων μεθόδου σχεδιασμού. Κάθε επίθεμα σχεδιάστηκε με βάση 4 πεδία : τον προσανατολισμό της έλλειψης κάθε στρώσης, το είδος φόρτισης ως προς το οποίο σχεδιάζεται να έχει επαρκή αντοχή το επίθεμα, τον τρόπο υπολογισμού της γωνίας scarf και τον τρόπο υπολογισμού του μήκους step. Για κάθε πεδίο εφαρμόστηκαν εναλλακτικές μέθοδοι σχεδιασμού. Οι μέθοδοι σχεδιασμού της γωνίας scarf και του step είναι προτεινόμενες από τη βιβλιογραφία για σχεδιασμό scarf και stepped επιθεμάτων ή απλών ενώσεων. Οι εξισώσεις αυτές προσαρμόστηκαν κατάλληλα για τον υπολογισμό του μικρού και μεγάλου άξονα των ελλείψεων των stepped επιθεμάτων. Έτσι, σε συνδυασμό με τους απαραίτητους γεωμετρικούς περιορισμούς σχεδιάστηκαν στο περιβάλλον του Matlab συνολικά 42 ελλειπτικά επιθέματα διαφορετικών διαστάσεων, με κάθε επίθεμα να προέρχεται από διαφορετικό συνδυασμό μεθόδων σχεδιασμού. Μεταξύ αυτών των 42 επιθεμάτων, μοντελοποιήθηκαν στο Abaqus τα 31, διότι αυτά βρίσκονταν εντός των ορίων στήριξης και ταυτόχρονα απαιτούσαν μικρότερο ή σχεδόν ίσο όγκο αφαιρούμενου υλικού από το κυκλικό επίθεμα. Κάθε μοντέλο αποτελούνταν από μια πολύστρωτη πλάκα επισκευασμένη με ένα ελλειπτικό επίθεμα του ίδιου υλικού. Στο μοντέλο προστέθηκε στήριξη κατά του λυγισμού και εφαρμόστηκε θλιπτικό φορτίο κατά τη διεύθυνση x (παράλληλα στο μήκος της πλάκας).Για κάθε μοντέλο υπολογίστηκε στο Abaqus η αντοχή της επισκευασμένης πλάκας και στη συνέχεια ο λόγος αντοχής ανά μονάδα όγκου αφαιρούμενου υλικού από την πλάκα. Τα δύο αυτά μεγέθη συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα μεγέθη της επισκευής με βέλτιστο κυκλικό επίθεμα λόγου scarf 1/50. Επιπλέον, αξιολογήθηκαν οι μέθοδοι σχεδιασμού ανά πεδίο σχεδιασμού και εντοπίστηκε για κάθε πεδίο η μέθοδος ή οι μέθοδοι που επέφεραν κατά μέσο όρο τα βέλτιστα αποτελέσματα. Από τις 31 ελλειπτικές γεωμετρίες οι 5 έδειξαν βέλτιστη απόδοση έναντι της κυκλικής για καταπόνηση της πλάκας υπό θλιπτικό φορτίο στη διεύθυνση x. Οι 5 αυτές βέλτιστες γεωμετρίες μοντελοποιήθηκαν εκ νέου για φόρτιση της πλάκας υπό θλιπτικό φορτίο στη διεύθυνση y και στις 45◦ προκειμένου να διερευνηθεί η αξιοπιστία τους σε γενικότερες συνθήκες φόρτισης. Για λόγους σύγκρισης μοντελοποιήθηκε και η κυκλική επισκευή με καταπόνηση στις 90◦ και 45◦ και τελικά 2 από τα επιθέματα αποδείχθηκαν βέλτιστα έναντι του κυκλικού και για τις 3 μορφές καταπόνησης.