Εναπομένουσα αντοχή και πρόβλεψη ζωής σε σύνθετα υλικά μετά από κόπωση

Abstract

Subject of this dissertation is the investigation of the static strength degradation phenomenon caused by fatigue in FRP composite materials and its integration to structural design procedures. In the first part of the study, several phenomenological residual strength models from literature, some of them modified to enhance their performance, along with a newly proposed methodology for reliability based residual strength prediction, are implemented to both the experimental data produced as well as to published data referring to a wider range of materials and lay-ups. The implementation procedures proposed are oriented towards simplicity and minimization of the required experimental effort. Models predictions, regarding both deterministic strength degradation behavior and statistical characteristics of residual strength, are assessed in order to clarify the predictive ability of each method and propose specific engineering solutions for the prediction of residual strength after fatigue. Once concluded on a number of efficient engineering models, in the second part of this work, residual strength is integrated in life and residual strength prediction methodologies. As a first step, fatigue life prediction of macroscopically studied composite laminates under variable amplitude (VA) loading is attempted. The effect of each module of the state-of-the-art life prediction schemes, i.e. the counting method and constant life diagram (CLD) is investigated along with the possible benefits from incorporating residual strength as damage accumulation metric instead of the commonly used Palmgren-Miner rule. Predictions are evaluated through tests performed on [04]T and [±45]S laminates of the reference material, under three different loading spectra extracted either from processing strain measurements on operating Wind Turbine Rotor Blades (WISPER and NEW WISPER) or from aero-elastic simulations (MWIND). As a subsequent step, the FADAS (FAtigue DAmage Simulator) life prediction methodology is developed and implemented in computer code. The algorithm, takes into account the plane stress conditions developing into each ply during fatigue by means of classical lamination theory, models the ply-by-ply degradation of strength and stiffness and implements progressive damage principles, based on Puck failure criterion, to predict failure of a laminate after arbitrary cyclic loading. Predictions of the FADAS algorithm, once its parameters are tuned accordingly for the reference UD material, are compared with constant amplitude (CA) fatigue tests performed on three types of specimens: The first consist of a multidirectional (MD) laminate of [(±45/0)4,±45]T lay-up under R=0.1 and R=-1 cyclic loads and the other two are 10° and 60° off-axis coupons cut from the same laminate under R=-1, in an effort to validate the algorithm under various combinations of imposed stresses and induced damage modes.

Θέμα της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη του φαινομένου απομείωσης της στατικής αντοχής των συνθέτων υλικών (FRP) λόγω κόπωσης και η εφαρμογή των αποτελεσμάτων σε διαδικασίες δομικού σχεδιασμού. Στο πρώτο μέρος της εργασίας παρουσιάζονται διάφορα δημοσιευμένα φαινομενολογικά πρότυπα εναπομένουσας αντοχής, μερικά των οποίων έχουν τροποποιηθεί για να γενικευθούν οι προβλέψεις τους, καθώς και μια νέα μεθοδολογία για παραγωγή προβλέψεων εναπομένουσας αντοχής συγκεκριμένης αξιοπιστίας. Τα πρότυπα αυτά εφαρμόζονται τόσο σε νέα όσο και σε δημοσιευμένα πειραματικά δεδομένα, που αφορούν ένα μεγάλο εύρος συνθέτων υλικών και διαστρωματώσεων. Οι διαδικασίες για την εφαρμογή κάθε προτύπου επιλέγονται με βάση την απλότητα και την ευκολία στην υλοποίηση, έτσι ώστε να μην απαιτείται μεγάλος αριθμός πειραματικών δεδομένων για την εφαρμογή τους. Οι προβλέψεις των προτύπων, τόσο όσον αφορά τις ντετερμινιστικές καμπύλες απομείωσης της στατικής αντοχής όσο και την πρόβλεψη των στατιστικών χαρακτηριστικών της εναπομένουσας αντοχής, αξιολογούνται με στόχο την επιλογή συγκεκριμένων διαδικασιών, εφαρμόσιμων στον σχεδιασμό κατασκευών από σύνθετα υλικά που υφίστανται κοπωτικά φορτία. Μετά την επιλογή ενός αριθμού αξιόπιστων προτύπων από αυτά που παρουσιάστηκαν στο πρώτο μέρος της διατριβής, η εναπομένουσα αντοχή ενσωματώνεται σε μεθοδολογίες πρόβλεψης κοπωτικής ζωής υπό κυκλικά φορτία μεταβλητού εύρους τάσης, Variable Amplitude (VA). Η επίδραση καθενός από τα αυτόνομα στάδια που συνθέτουν τέτοιες μεθοδολογίες, δηλαδή η μέθοδος μέτρησης κύκλων (Cycle Counting) και το διάγραμμα σταθερής ζωής (Constant Life Diagram, CLD), εξετάζεται λεπτομερώς παράλληλα με το ενδεχόμενο αντικατάστασης του κανόνα Palmgren-Miner, σαν μέτρο συσσώρευσης βλάβης, από μεθόδους που βασίζονται στην εναπομένουσα αντοχή. Οι παραγόμενες προβλέψεις αξιολογούνται μέσω πειραμάτων σε πολύστρωτες διατάξεις [04]T και [±45]S υπό την επίδραση τριών διαφορετικών κοπωτικών φασμάτων που έχουν προκύψει είτε μέσω της επεξεργασίας μετρήσεων φόρτισης πτερυγίων σε λειτουργία (WISPER και NEW WISPER) είτε από αριθμητική αερο-ελαστική προσομοίωση (MWIND). Το τελευταίο βήμα περιλαμβάνει τη συμβολή στην ανάπτυξη και υλοποίηση του αλγόριθμου FADAS (FAtigue DAmage Simulator) σε περιβάλλον MATLAB. Ο αλγόριθμος υπολογίζει την επίπεδη εντατική κατάσταση που αναπτύσσεται σε κάθε στρώση της πλάκας κατά την κόπωση, μέσω θεωρίας πολυστρώτων πλακών (Classical Lamination Theory, CLT), προσομοιώνει την υποβάθμιση της αντοχής και της δυσκαμψίας και εφαρμόζει αρχές προοδευτικής βλάβης (progressive damage), βάσει του κριτηρίου αστοχίας του Puck, για την πρόβλεψη της αστοχίας πολυστρώτων διατάξεων υπό οποιαδήποτε κοπωτική φόρτιση. Προβλέψεις του αλγόριθμου FADAS, μετά την ρύθμιση των παραμέτρων βάσει του υλικού αναφοράς, συγκρίνονται με πειράματα κόπωσης σταθερού εύρους πάνω σε τρεις τύπους δοκιμίων. Ο πρώτος είναι μια πολύστρωτη διάταξη [(±45/0)4/±45]T υπό κόπωση σε λόγο τάσεων R=0.1 και R=-1 και οι άλλοι δύο είναι δοκίμια κομμένα υπό γωνία 10° και 60° από την ίδια πολύστρωτη, που υποβάλλονται σε εναλλασσόμενη κόπωση (R=-1), έτσι ώστε ο αλγόριθμος να αξιολογηθεί για διάφορους συνδυασμούς επιβαλλόμενων φορτίσεων και τύπων βλάβης (damage modes).