Τεχνολογικές βελτιώσεις επισκευών των κατασκευών με επιθέματα από σύνθετα υλικά

Abstract

The airspace industry has suffered a serious blow starting with the 9-11 incidents up to the current global economic crisis. The cutting down of cost, dictated from the managerial sector of the company and applying to the entirety of sectors and processes, most of the times negatively affect the quality and/or reliability of the output. One basic segment of the overall system is the repair of aeronautical structures. The Composite Patch Repair technique (CPR), has gained an important position within this specific industry, due to the advantages offered to the structure but also the reduced costs compared to other repair techniques. Nevertheless, CPR is only accredited for secondary structures thus generating the need to verify and ensure the endurance and overall quality of this technique. This PhD thesis actually constitutes a scientific effort towards this direction. Initially numerous existing scientific efforts concerning this field were examined and evaluated, in order to formulate a plan oriented towards the equitable optimization of the CPR technique. Having consolidated the up to now knowledge and having perceived the requirements that should be satisfied, initially effort went into the evaluation of a novel adhesive (product of collaboration between sub-projects) with regard to physical and mechanical properties and finally the behavior of the novel material in the application of repair with composite patches under virtual loading conditions. Afterwards the phenomenon of delamination was investigated, the most usual cause of failure for repairs with composite patches. With the use of the numerical method of finite elements the determination of optimum placement for optical fibres inside the patch was rendered possible serving towards localization of possible delaminations. These results were used in experimental trials of repaired structures under fatigue loading, where the optical fibres received completely satisfactory data. The embedding of dielectric sensors to the specified repairs presents great interest as the potential of monitoring physical properties is given both for the adhesive and the patch while in the curing phase but also in service (potential of structural health assurance- ageing of materials). The novel notion of embedding wireless dielectric sensors under the repair was deemed greatly interesting. Initially the introduction of holes at the vicinity of a crack was examined by analyses with the Finite element method. These holes can serve as housings for the sensors. The encouraging results were validated by experimental trials. The next challenge was to monitor the curing process simultaneously with dielectric and fibre Bragg grating (FBG) sensors in a series of experimental data. The results were combined in order to determine the end of cure thus providing an enhanced verification on the repair’s quality. Finally, a logic of a Structural Health Monitoring (SHM) system was formulated (for CPR), based on Neural networks algorithms, providing monitoring of a repair’s structural integrity.

Η αεροπορική βιομηχανία από την 11 Σεπτεμβρίου και ως τις μέρες μας με τη πρόσφατη παγκόσμια οικονομική κρίση έχει δεχθεί όπως είναι λογικό σοβαρά πλήγματα. Η ανάγκη μείωσης κόστους που υπαγορεύεται, σε επίπεδο διοίκησης της επιχείρησης, από όλους τους τομείς και τις διεργασίες από τις οποίες αποτελούνται πολλές φορές οδηγούν σε αρνητικό αντίκτυπο όσον αφορά τη ποιότητα και αξιοπιστία σε επίπεδο αεροναυπηγικής. Ένα βασικό τμήμα της αλυσίδας είναι αυτό της επισκευής των αεροπορικών δομών. Οι επισκευές με επικόλληση συνθέτων επιθεμάτων έχουν λάβει μια σημαντική θέση στη αεροπορική βιομηχανία, λόγω των πλεονεκτημάτων που προσφέρουν στην προς επισκευή δομή και στην μείωση κόστους. Παρόλα αυτά, οι εν λόγω επισκευές επιτρέπονται μόνον σε δευτερεύουσες δομές. Συμπερασματικά, υπάρχει η ανάγκη επαλήθευσης και εγγύησης της αντοχής και ποιότητας των επισκευών αυτών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί ουσιαστικά μια ερευνητική προσπάθεια προς αυτή την κατεύθυνση. Αρχικά εξετάστηκαν και αξιολογήθηκαν οι πολυάριθμες υπάρχουσες ερευνητικές προσπάθειες στο θέμα, με απώτερο σκοπό την χάραξη μίας πορείας προσανατολισμένης προς την ορθή βελτιστοποίηση της εν λόγω τεχνικής. Έχοντας εδραιώσει την έως τώρα γνώση και έχοντας αντιληφθεί τις απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιηθούν, η πρώτη προσπάθεια ήταν η αξιολόγηση νέας κόλλας (προϊόν συνεργασίας μεταξύ υποέργων) όσον αφορά τις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες αυτής και τελικώς την συμπεριφορά του νέου υλικού στην εφαρμογή επισκευής με σύνθετα επιθέματα υπό πραγματικές συνθήκες φόρτισης. Στη συνέχεια διερευνήθηκε το φαινόμενο της αποκόλλησης, η πλέον συνήθης αιτία αστοχίας επισκευών με σύνθετα επιθέματα. Με τη χρήση της αριθμητικής μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων κατέστη δυνατή η εύρεση της καταλληλότερης τοποθέτησης οπτικών ινών εντός ενός επιθέματος για τον εντοπισμό μιας πιθανής αποκόλλησης. Τα αποτελέσματα αυτά χρησιμοποιήθηκαν σε εργαστηριακές δοκιμές επισκευών υπό κόπωση όπου οι οπτικές ίνες έλαβαν πλήρως ικανοποιητικές μετρήσεις. Η ενσωμάτωση διηλεκτρικών αισθητήρων στις εν λόγω επισκευές παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον καθώς δίνεται η δυνατότητα παρακολούθησης διαφοροποίησης των φυσικών ιδιοτήτων της κόλλας και του επιθέματος τόσο κατά τον πολυμερισμό όσο κατά τη λειτουργία (δυνατότητα πιστοποίησης υγείας- γήρανση υλικών). Κρίθηκε μεγάλου ενδιαφέροντος η καινοτόμος εναπόθεση ασύρματων διηλεκτρικών αισθητήρων κάτωθι της επισκευής. Αρχικά με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων εξετάστηκε η διάνοιξη οπών στην περιοχή επισκευής οι οποίες θα δέχονται τους εν λόγω αισθητήρες. Στη συνέχεια τα θετικά αποτελέσματα επαληθεύτηκαν με εργαστηριακές δοκιμές. Το επόμενο σκέλος εστίασε στην παρακολούθηση πολυμερισμού με παράλληλη αίσθηση διηλεκτρικών αισθητήρων και οπτικών ινών με μία σειρά εργαστηριακών δοκιμών. Τα αποτελέσματα συνδυάστηκαν για την εύρεση του σημείου πολυμερισμού. Με τον τρόπο αυτό η εγγύηση ποιότητας της επισκευής απέκτησε μεγαλύτερη βαρύτητα. Τελικώς διατυπώθηκε η λογική ενός συστήματος παρακολούθησης υγιούς λειτουργίας επισκευών με επιθέματα συνθέτων υλικών, βασισμένη σε αλγόριθμους νευρωνικών δικτύων, με δυνατότητες παρακολούθησης της δομικής ακεραιότητας μιας επισκευής.