Fracture analysis of layered beams with elastic couplings and hygrothermal stresses. Application to metal-to-composite adhesive joints

The present thesis deals with the issue of fracture analysis of generally layered beam-like structures with elastic couplings and hygrothermal stresses. In particular, it develops (i.e., formulates, validates, and implements) an analytical framework for the calculation of the fracture toughness of s...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Τσοκανάς, Παναγιώτης
Άλλοι συγγραφείς: Tsokanas, Panayiotis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2022
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/15937
id nemertes-10889-15937
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Layered beam
Mixed-mode fracture
Energy release rate
Fracture toughness
Fracture mode partitioning
Data reduction scheme
Analytical modeling
Closed-form solution
Finite element analysis
Πολύστρωτες δοκοί
Θραύση μικτού τύπου
Ελαστικές συζεύξεις
Ρυθμός απελευθέρωσης ενέργειας
Δυσθραυστότητα
Διαχωρισμός μορφών θραύσης
Αναλυτική μοντελοποίηση
Λύση κλειστής μορφής
Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων
Σύζευξη κάμψης-έκτασης
Παραμένουσες υγροθερμικές τάσεις
spellingShingle Layered beam
Mixed-mode fracture
Energy release rate
Fracture toughness
Fracture mode partitioning
Data reduction scheme
Analytical modeling
Closed-form solution
Finite element analysis
Πολύστρωτες δοκοί
Θραύση μικτού τύπου
Ελαστικές συζεύξεις
Ρυθμός απελευθέρωσης ενέργειας
Δυσθραυστότητα
Διαχωρισμός μορφών θραύσης
Αναλυτική μοντελοποίηση
Λύση κλειστής μορφής
Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων
Σύζευξη κάμψης-έκτασης
Παραμένουσες υγροθερμικές τάσεις
Τσοκανάς, Παναγιώτης
Fracture analysis of layered beams with elastic couplings and hygrothermal stresses. Application to metal-to-composite adhesive joints
description The present thesis deals with the issue of fracture analysis of generally layered beam-like structures with elastic couplings and hygrothermal stresses. In particular, it develops (i.e., formulates, validates, and implements) an analytical framework for the calculation of the fracture toughness of such non-conventional beams. In parallel, it investigates the fracture behavior of a metal-to-composite adhesive joint of interest to the aerospace industry. The general problem concerns a beam structure that may feature several “peculiarities”: it may consist of multiple layers of dissimilar materials; it may have asymmetries in terms of layer thicknesses; it may feature elastic couplings (in particular, bending-extension coupling [BEC]); it may be loaded by arbitrary mechanical loads (i.e., concentrated forces and bending moments); and it may contain residual hygrothermal stresses (RHTS). To tackle this problem, we build a generic analytical model that determines the fracture toughness (i.e., energy release rate [ERR] and mode mixity [MM]) of beams with all the peculiarities just mentioned. Classical theories in the discipline of mechanics (e.g., beam theory, mechanics of composite materials, energetic methods) and important tools in the field of fracture mechanics (e.g., crack-tip element [CTE], crack closure integral, J-integral) are employed while developing this novel framework. With reference to the state of the art, the proposed analyses and solutions extend the level of knowledge and enable us to study a variety of, for example, new hybrid material systems, geometries, and testing setups. All new solutions were validated through finite element analyses (FEAs), employing mainly the virtual crack closure technique (VCCT) and secondarily the cohesive zone modeling (CZM). The new solutions are compared with existing, simpler ones, highlighting the usefulness of the new solutions. A plethora of analytical, numerical, and experimental case studies of the fracture toughness of several material systems (e.g., fiber metal laminates [FMLs], metal-to-composite adhesive joints, multidirectional [MD] composite laminates) and test configurations (e.g., double cantilever beam [DCB], end-notched flexure [ENF], double cantilever beam-uneven bending moments [DCB-UBM]) have been carried out. As a parallel project, the thesis investigated the technological problem of the fracture analysis of a titanium-to-CFRP adhesive joint to be applied in the hybrid laminar flow control (HLFC) system of future aircraft. Extensive experimental, analytical, and numerical methods were combined to understand the fracture behavior and extract the fracture toughness of this joint under various conditions.
author2 Tsokanas, Panayiotis
author_facet Tsokanas, Panayiotis
Τσοκανάς, Παναγιώτης
author Τσοκανάς, Παναγιώτης
author_sort Τσοκανάς, Παναγιώτης
title Fracture analysis of layered beams with elastic couplings and hygrothermal stresses. Application to metal-to-composite adhesive joints
title_short Fracture analysis of layered beams with elastic couplings and hygrothermal stresses. Application to metal-to-composite adhesive joints
title_full Fracture analysis of layered beams with elastic couplings and hygrothermal stresses. Application to metal-to-composite adhesive joints
title_fullStr Fracture analysis of layered beams with elastic couplings and hygrothermal stresses. Application to metal-to-composite adhesive joints
title_full_unstemmed Fracture analysis of layered beams with elastic couplings and hygrothermal stresses. Application to metal-to-composite adhesive joints
title_sort fracture analysis of layered beams with elastic couplings and hygrothermal stresses. application to metal-to-composite adhesive joints
publishDate 2022
url http://hdl.handle.net/10889/15937
work_keys_str_mv AT tsokanaspanagiōtēs fractureanalysisoflayeredbeamswithelasticcouplingsandhygrothermalstressesapplicationtometaltocompositeadhesivejoints
AT tsokanaspanagiōtēs thraustomēchanikēanalysēpolystrōtōndokōnmeelastikessyzeuxeiskaiygrothermikestaseisepharmogēsekollētoussyndesmousmetallōnmesynthetaylika
_version_ 1771297238724640768
spelling nemertes-10889-159372022-09-05T13:56:10Z Fracture analysis of layered beams with elastic couplings and hygrothermal stresses. Application to metal-to-composite adhesive joints Θραυστομηχανική ανάλυση πολύστρωτων δοκών με ελαστικές συζεύξεις και υγροθερμικές τάσεις. Εφαρμογή σε κολλητούς συνδέσμους μετάλλων με σύνθετα υλικά Τσοκανάς, Παναγιώτης Tsokanas, Panayiotis Layered beam Mixed-mode fracture Energy release rate Fracture toughness Fracture mode partitioning Data reduction scheme Analytical modeling Closed-form solution Finite element analysis Πολύστρωτες δοκοί Θραύση μικτού τύπου Ελαστικές συζεύξεις Ρυθμός απελευθέρωσης ενέργειας Δυσθραυστότητα Διαχωρισμός μορφών θραύσης Αναλυτική μοντελοποίηση Λύση κλειστής μορφής Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων Σύζευξη κάμψης-έκτασης Παραμένουσες υγροθερμικές τάσεις The present thesis deals with the issue of fracture analysis of generally layered beam-like structures with elastic couplings and hygrothermal stresses. In particular, it develops (i.e., formulates, validates, and implements) an analytical framework for the calculation of the fracture toughness of such non-conventional beams. In parallel, it investigates the fracture behavior of a metal-to-composite adhesive joint of interest to the aerospace industry. The general problem concerns a beam structure that may feature several “peculiarities”: it may consist of multiple layers of dissimilar materials; it may have asymmetries in terms of layer thicknesses; it may feature elastic couplings (in particular, bending-extension coupling [BEC]); it may be loaded by arbitrary mechanical loads (i.e., concentrated forces and bending moments); and it may contain residual hygrothermal stresses (RHTS). To tackle this problem, we build a generic analytical model that determines the fracture toughness (i.e., energy release rate [ERR] and mode mixity [MM]) of beams with all the peculiarities just mentioned. Classical theories in the discipline of mechanics (e.g., beam theory, mechanics of composite materials, energetic methods) and important tools in the field of fracture mechanics (e.g., crack-tip element [CTE], crack closure integral, J-integral) are employed while developing this novel framework. With reference to the state of the art, the proposed analyses and solutions extend the level of knowledge and enable us to study a variety of, for example, new hybrid material systems, geometries, and testing setups. All new solutions were validated through finite element analyses (FEAs), employing mainly the virtual crack closure technique (VCCT) and secondarily the cohesive zone modeling (CZM). The new solutions are compared with existing, simpler ones, highlighting the usefulness of the new solutions. A plethora of analytical, numerical, and experimental case studies of the fracture toughness of several material systems (e.g., fiber metal laminates [FMLs], metal-to-composite adhesive joints, multidirectional [MD] composite laminates) and test configurations (e.g., double cantilever beam [DCB], end-notched flexure [ENF], double cantilever beam-uneven bending moments [DCB-UBM]) have been carried out. As a parallel project, the thesis investigated the technological problem of the fracture analysis of a titanium-to-CFRP adhesive joint to be applied in the hybrid laminar flow control (HLFC) system of future aircraft. Extensive experimental, analytical, and numerical methods were combined to understand the fracture behavior and extract the fracture toughness of this joint under various conditions. Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται το θέμα της θραυστομηχανικής ανάλυσης κατασκευών τύπου πολύστρωτης δοκού, παρουσία ελαστικών συζεύξεων και υγροθερμικών τάσεων. Ειδικότερα, η εργασία αναπτύσσει (δηλ. διατυπώνει, επικυρώνει και εφαρμόζει) ένα αναλυτικό μοντέλο για τον υπολογισμό της δυσθραυστότητας (fracture toughness) τέτοιων μη συμβατικών δοκών. Διερευνά, παράλληλα, τη συμπεριφορά σε θραύση ενός κολλητού συνδέσμου μετάλλου-σύνθετου υλικού που ενδιαφέρει ιδιαίτερα την αεροδιαστημική βιομηχανία. Το γενικό πρόβλημα υπό εξέταση αφορά μια κατασκευή τύπου δοκού που χαρακτηρίζεται (δυνητικά) από τις εξής «ιδιαιτερότητες»: αποτελείται από επάλληλες στρώσεις ανόμοιων υλικών· εμφανίζει ασυμμετρίες όσον αφορά τα πάχη των στρώσεων· εμπεριέχει ελαστικές συζεύξεις (ειδικότερα, σύζευξη κάμψης-έκτασης)· φορτίζεται με γενικευμένα μηχανικά φορτία (συγκεντρωμένες δυνάμεις και ροπές κάμψης)· και τέλος, εμπεριέχει παραμένουσες υγροθερμικές τάσεις. Για την προσέγγιση αυτού του προβλήματος, η εργασία αναπτύσσει ένα γενικό αναλυτικό μοντέλο προσδιορισμού της δυσθραυστότητας (ειδικότερα, του ρυθμού απελευθέρωσης ενέργειας και της μίξης των μορφών [mode mixity]) δοκών με όλες τις «ιδιαιτερότητες» που μόλις αναφέρθηκαν. Κατά την ανάπτυξη αυτού του νέου μοντέλου, επιστρατεύονται κλασσικές θεωρίες της μηχανικής (π.χ. θεωρία δοκού, μηχανική σύνθετων υλικών, ενεργειακές μέθοδοι), καθώς και σημαντικά εργαλεία του κλάδου της θραυστομηχανικής (π.χ. crack-tip element, crack closure integral, J-integral). Οι προτεινόμενες αναλύσεις και αναλυτικές λύσεις επεκτείνουν το επίπεδο γνώσης μας και μας επιτρέπουν να μελετήσουμε μια ποικιλία από μη συμβατικά συστήματα υλικών, γεωμετρίες και διατάξεις δοκιμής. Οι προτεινόμενες λύσεις ελέγχονται μέσω αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων, χρησιμοποιώντας κατά βάση την τεχνική εικονικού κλεισίματος της ρωγμής (virtual crack closure technique), και δευτερευόντως μοντελοποίηση της ζώνης συνοχής (cohesive zone modeling). Επιπροσθέτως, οι προτεινόμενες λύσεις συγκρίνονται με υπάρχουσες, απλούστερες λύσεις προς ανάδειξη της χρησιμότητας των πρώτων. Στη συνέχεια λαμβάνει χώρα μια πληθώρα αναλυτικών, αριθμητικών και πειραματικών περιπτωσιολογικών μελετών της δυσθραυστότητας ποικίλων τύπων υλικών (π.χ. fiber metal laminates, κολλητοί σύνδεσμοι μετάλλου-σύνθετου υλικού, πολυδιευθυντικά πολύστρωτα σύνθετα υλικά) και ποικίλων διατάξεων δοκιμών (π.χ. διπλή πρόβολος δοκός, κάμψη δοκού με εγκοπή στο άκρο, δοκιμή διπλής προβόλου δοκού με ανόμοιες ροπές κάμψης). Παράλληλα, η διατριβή διερευνά το τεχνολογικό πρόβλημα της ανάλυσης θραύσης ενός κολλητού συνδέσμου τιτανίου-CFRP που προορίζεται για εφαρμογή στο σύστημα hybrid laminar flow control των μελλοντικών αεροσκαφών. Με σκοπό την κατανόηση της συμπεριφοράς σε θραύση και εξαγωγή της δυσθραυστότητας αυτού του συνδέσμου υπό διάφορες συνθήκες, συνδυάζονται εκτεταμένες πειραματικές, αναλυτικές και αριθμητικές μέθοδοι. 2022-03-08T09:00:03Z 2022-03-08T09:00:03Z 2021-11-23 http://hdl.handle.net/10889/15937 en application/pdf