Ανάλυση αεροναυπηγικών κατασκευών από σύνθετα υλικά με υπολογιστικές και αναλυτικές μεθόδους

Abstract

The present dissertation deals with the elastic buckling, the postbuckling analysis and the ballistic impact of composite materials and Fiber Metal Laminates (FMLs). Initially, a research study is carried out for the deterministic and probabilistic elastic buckling response of FML panels under uniaxial compression. The Finite Element Method (FEM) in combination with the eigenvalue buckling analysis is used for this purpose. The existing analytical solution concerning the critical buckling load calculation is adjusted and implemented in order to validate the numerical results. The purpose of the probabilistic analysis is the investigation of the influences of uncertainties concerning material properties and laminate dimensions on the buckling load with sensitivity analyses. The probabilistic calculations demonstrate that there is a considerable probability to overestimate the buckling load of FML panels when only deterministic calculations are considered. The next main study deals with the postbuckling and secondary buckling response of simply supported and clamped rectangular FML plates subjected to uniaxial compression or shear. In this study, a novel numerical procedure is presented for the first time, in order to locate the secondary buckling point, using FEM analysis. It is found that the secondary buckling load strongly depends on the aspect ratio of the plate, whereas the material selection for buckling resistant structures depends on whether primary or secondary buckling is considered. Finally, in the context of the present dissertation the eccentric and oblique ballistic impact response of square aluminum or FML plates is investigated numerically. The eccentric ballistic impact of FML plates is studied for the first time. It is found that the ballistic limits of the considered targets can be substantially affected by the boundary conditions and the eccentricity of the impact point. It is also found that the ballistic resistance of the aluminum targets increases as the obliquity angle increases in the range from 30o to 60o, regardless of their thickness.

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τον ελαστικό λυγισμό, την ανάλυση μετά τον αρχικό λυγισμό (μεταλυγισμό ή postbuckling) και την βαλλιστική κρούση σύνθετων και ινωδών μεταλλικών πολύστρωτων υλικών (Fiber Metal Laminates – FML). Αρχικά, πραγματοποιείται μελέτη για τη ντετερμινιστική (deterministic) και πιθανολογική (probabilistic) απόκριση σε ελαστικό λυγισμό των FML υπό μονοαξονική θλίψη, αξιοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και την ιδιοδιανυσματική ανάλυση. Η υφιστάμενη αναλυτική λύση για τον υπολογισμό του κρίσιμου φορτίου λυγισμού προσαρμόζεται κατάλληλα και αξιοποιείται προκειμένου να επαληθευθούν τα αριθμητικά αποτελέσματα. Ο σκοπός της πιθανολογικής μελέτης είναι η διερεύνηση της επίδρασης των αβεβαιοτήτων των μηχανικών ιδιοτήτων και των διαστάσεων της κάθε στρώσης του υβριδικού πολύστρωτου στο κρίσιμο φορτίο λυγισμού. Οι πιθανολογικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι υπάρχει σημαντική πιθανότητα υπερεκτίμησης του φορτίου λυγισμού των κυλινδρικών FML panels όταν δε λαμβάνονται υπόψη οι εν λόγω αβεβαιότητες. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η μεταλυγισμική απόκριση και πραγματοποιήθηκε πρόβλεψη δευτερεύοντος λυγισμού απλά εδρασμένων και πακτωμένων ορθογώνιων FML πλακών, όταν υποβάλλονται σε θλίψη ή διάτμηση. Στην εν λόγω μελέτη παρουσιάζεται για πρώτη φορά μία καινοτόμα διαδικασία για τον εντοπισμό του σημείου δευτερεύοντος λυγισμού, αξιοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Ακόμη, βρέθηκε ότι το δευτερεύον φορτίο λυγισμού εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το λόγο του μήκους προς το πλάτος (aspect ratio) της πλάκας, ενώ η σωστή επιλογή υλικού για ανθεκτικές κατασκευές σε λυγισμό εξαρτάται από το αν λαμβάνεται υπόψη ο πρωτεύων ή ο δευτερεύων λυγισμός. Τέλος, η παρούσα διατριβή ασχολείται με την υπολογιστική μελέτη της συμπεριφοράς σε έκκεντρη και πλάγια βαλλιστική κρούση τετράγωνων πλακών αποτελούμενων από αλουμίνιο ή FML. Η μελέτη της έκκεντρης βαλλιστικής κρούσης FML πλακών γίνεται για πρώτη φορά. Βρέθηκε ότι τα βαλλιστικά όρια των υπό μελέτη στόχων δύνανται να επηρεαστούν σημαντικά από τις συνοριακές συνθήκες και την εκκεντρότητα του σημείου κρούσης και ότι η βαλλιστική αντοχή των στόχων αλουμινίου αυξάνει καθώς αυξάνεται η γωνία κρούσης στο εύρος 30ο έως 60ο, ανεξάρτητα από το πάχος τους.