Υπολογιστικός χαρακτηρισμός βλάβης σε τοπική, μεταβατική και ψευδοστατική κρούση σε σύνθετες πολύστρωτες πλάκες

• Κύριος συγγραφέας: Παναγιωτόπουλος, Ελευθέριος
• Άλλοι συγγραφείς: Panagiotopoulos, Eleftherios
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Τοπική κρούση; Μεταβατική κρούση; Ψευδοστατική κρούση; Μικρομηχανική κρούση; Πεπερασμένα στοιχεία; Σύνθετα υλικά; Ενδοστρωματική βλάβη; Διαστρωματική αποκόλληση; Πλάκες; Local impact; Transitional impact; Pseudostatic impact; Micromechanics impact; Finite elements; Composites; Intralaminar damage; Interlaminar delamination; Laminates

Η εφαρμογή που βρίσκουν τα σύνθετα υλικά σε ποικίλες κατασκευές έχει δημιουργήσει την ανάγκη της μελέτης της μηχανικής τους συμπεριφοράς και της πρόβλεψης της βλάβης που δύναται να προκύψει σε αυτά. Μία συνήθης χρήση των συνθέτων είναι η κατασκευή πολυστρώτων πλακών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην αεροπορική βιομηχανία, στο μηχανοκίνητο αθλητισμό κ.α. Ένας από τους πιο συνήθεις τρόπους καταπόνησης είναι η κρούση από ξένα σώματα, όπως για παράδειγμα η χαλαζόπτωση στην άτρακτο ενός αεροσκάφους. Λόγω του μεγάλου φάσματος χρήσης των συνθέτων πολυστρώτων πλακών, οι συνθήκες του φαινομένου της κρούσης διαφέρουν σημαντικά μεταξύ των εφαρμογών, και για αυτό το λόγο η κρουστική καταπόνηση τους έχει κατηγοριοποιηθεί σε τοπική, μεταβατική και ψευδοστατική, με γνώμονα την απόκριση τους στο φαινόμενο. Η διερεύνηση των διαστρωματικών και ενδοστρωματικών βλαβών του συνθέτου σε όλο το φάσμα των περιπτώσεων αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την ασφαλή χρήση τους, όπως επίσης και η επίδραση της ενδοστρωματικής αστοχίας στη βλάβη των διεπιφανειών. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων για την ανάλυση του φαινομένου της κρούσης πολύστρωτης πλάκας από σύνθετο ινώδες υλικό, από σφαιρικό απαραμόρφωτο ιμπάκτορα με διάφορες ταχύτητες και μάζες, ώστε να προσομοιωθούν διαφορετικές περιπτώσεις που καλύπτουν το φάσμα των τριών ειδών κρούσης που αναφέρθηκαν. Η πλάκα που μελετάται πρόκειται για ορθότροπη πολύστρωτη πλάκα που αποτελείται από στρώσεις εποξικής ρητίνης ενισχυμένης με ίνες ανθρακονήματος, και πιό συγκεκριμένα από το σύνθετο υλικό «CARBON FIBER (Tenax HTS40 12 K 300)/EPOXY (Cycom 977-2)» πυκνότητας 1600 kg/m3. Οι διαστάσεις της πλάκας είναι 75x125 mm με μεταβλητό πάχος ανάλογα την περίπτωση, και οι ακμές της είναι απλά στηριζόμενες (simply supported). Η αλληλουχία στρώσεων της πολύστρωτης πλάκας είναι [0/45/90/-45]S. Με σκοπό τη μελέτη της ενδοστρωματικής αστοχίας σε επίπεδο μικροκλίμακας, εφαρμόστηκε η μικρομηχανική μέθοδος του Τσάμη που χρησιμοποίησε τις μηχανικές ιδιότητες της ίνας και της μήτρας για να υπολογίσει τις ιδιότητες των στρώσεων του συνθέτου. Για την αστοχία των πεπερασμένων στοιχείων ως προς τη μήτρα ή την ίνα χρησιμοποιήθηκε το κριτήριο αστοχίας της Μέγιστης Τάσης σε συνδιασμό με τις αντοχές που προέκυψαν από τη μικρομηχανική μέθοδο του Τσάμη. Η διαστρωματική βλάβη της αποκόλλησης ερευνήθηκε με την εφαρμογή του κριτηρίου διαστρωματικής αστοχίας του μοντέλου ζώνης συνεκτικότητας (Cohesive Zone Model). Για την επίτευξη όλων των παραπάνω αξιοποιήθηκε το λογισμικό Abaqus/Explicit, ένα υπολογιστικό πακέτο που επιτρέπει την ανάλυση προβλημάτων μηχανικής με τη χρήση των Πεπερασμένων Στοιχείων. Η μικρομηχανική μέθοδος του Τσάμη εφαρμόστηκε ως υπορουτίνα VUMAT στο πακέτο, και τα αποτελέσματα οπτικοποιήθηκαν στο Abaqus για τη βέλτιστη κατανόησή τους. Τα αποτελέσματα της διερεύνησης απαρτίζονται από την αστοχία των διεπιφανειών, των ινών και της μήτρας των στρώσεων της πολύστρωτης για κάθε μία από τις περιπτώσεις κρούσης που προσομοιώθηκαν, καθώς και από τη διαστρωματική αποκόλληση των διεπιφανειών που εξήχθηκε από μοντέλο το οποίο δε λαμβάνει υπόψιν την ενδοστρωματική βλάβη. Τα συμπεράσματα της εργασίας περιλαμβάνουν την αντιστοίχιση των διαστρωματικών και ενδοστρωματικών αστοχιών με το είδος της κρούσης, την επίδραση της ύπαρξης αστοχίας ίνας και μήτρας στη διαστρωματική αποκόλληση, την επιρροή της μεταβολής του πάχους την πλάκας και της ακτίνας του ιμπάκτορα στην έκταση των βλαβών.