Υπολογιστική μοντελοποίηση πολλαπλής κλίμακας και ανάλυση μηχανικής συμπεριφοράς και αστοχιών νανοσύνθετων αεροδιαστημικών δομών

Abstract

The field of aerospace is a broad branch of science that covers the disciplines of aeronautical engineering and space technology, which together allow us to design and develop technologically advanced products that can meet the new technological requirements of the aerospace industry. In recent years, the use of fiber-reinforced polymer matrix composites (FRPCs) for aerospace applications has increased, due to their high strength-to-weight ratio, excellent fatigue strength and significant corrosion resistance. The wide application of FRPCs has been adopted by various fields of aerospace technology, including military and civil aviation, unmanned aerial vehicles (UAVs), and space applications involving launchers and satellites. The development of advanced composite structures for aerospace applications requires that the components must be manufactured to withstand not only mechanical stresses but also environmental loads, such as thermal changes and humidity, which in some cases can range from -40 to 130°C and 0 to 100% humidity. Adverse environmental conditions can cause damage to FRPCs, such as fiber fracture and interfacial delamination of layers and should be seriously considered during their structural design. In the modern aeronautical industry, to enhance the structural stiffness and strength of composite structures, laminated composites are used due to their excellent mechanical properties, which are achieved through a strategic sequence of their layers, without increasing the weight of the structures. The simultaneous development of nanotechnology, as a science that exploits matter at the atomic and molecular level, has given new dynamics to the use of composite materials, as the excellent characteristics of nanostructures as an additive to the polymer matrix of FRPCs can provide significantly improved mechanical properties over of classical composites. As environmental concerns escalate, the development of innovative materials is deemed necessary to address issues related to energy consumption, global water demand and carbon dioxide emissions. Nanotechnology stands out as a cutting-edge technology that can be used to improve manufacturing processes, eliminate hazardous chemicals, reduce gas emissions and make biodegradable materials. The adoption of environmentally friendly solutions such as nanosensors for ecosystem monitoring, nanofilters for water treatment and nanocomposites for building components is in line with European goals for innovative green technologies However, the proper application of nanotechnology requires a full understanding of the physicomechanical properties of nanocomposites. Therefore, a comprehensive study is needed for the behavior of nanocomposites in adverse environmental conditions. The impact of microstructural characteristics of nanoparticles, such as carbon nanotubes, on the modeling of nanocomposites should also be considered, at the microscale (fiber and matrix), mesoscale (composite layer), and macroscale (multilayer structure).In this PhD Thesis, a multi-scale computational modeling is developed, which is appropriate for the prediction of the mechanical behavior and failure of CNT-reinforced structures, analyzing the nanostructures in various environmental conditions, using finite element method and taking into account the microstructural characteristics and states of the nanoparticles in the polymer matrix.

Ο τομέας της αεροδιαστημικής είναι ένας ευρύς κλάδος της επιστήμης που καλύπτει τους κλάδους της αεροναυπηγικής μηχανικής και διαστημικής τεχνολογίας, που σε συνδυασμό τους, μας επιτρέπουν το σχεδιασμό και την ανάπτυξη τεχνολογικά προηγμένων προϊόντων και συστημάτων τα οποία μπορούν να ανταποκριθούν με αξιώσεις στις νέες τεχνολογικές απαιτήσεις της αεροδιαστημικής βιομηχανίας. Τα τελευταία χρόνια η χρήση σύνθετων υλικών πολυμερούς μήτρας με ενίσχυση ινών (FRPCs) για αεροδιαστημικές εφαρμογές έχει αυξηθεί κατά πολύ, λόγω της μεγάλης αναλογίας τους αντοχή προς βάρος, της εξαιρετικής αντοχής σε κόπωση και τη σημαντική αντοχή στη διάβρωση. Η ευρεία εφαρμογή των FRPCs έχει υιοθετηθεί από διάφορους τομείς της αεροδιαστημικής τεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένης της στρατιωτικής και πολιτικής αεροπορίας, των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV), και διαστημικών εφαρμογών που περιλαμβάνουν εκτοξευτές και δορυφόρους. Η ανάπτυξη προηγμένων δομών από σύνθετα υλικά για αεροδιαστημικές εφαρμογές προϋποθέτει ότι τα εξαρτήματα θα είναι κατασκευασμένα έτσι ώστε να αντέχουν όχι μόνο μηχανικές καταπονήσεις αλλά και περιβαλλοντικά φορτία, όπως θερμικές μεταβολές και υγρασία, που σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να κυμαίνονται από -40 έως 130°C και 0 έως 100% υγρασία. Οι δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες μπορούν να προκαλέσουν στα FRPCs θραύση των ινών και διεπιφανειακή αποκόλληση των στρωμάτων και πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψιν κατά τη διάρκεια του δομικού σχεδιασμού τους. Στη σύγχρονη αεροναυπηγική βιομηχανία, για την ενίσχυση της δομικής δυσκαμψίας και αντοχής των δομών από σύνθετα υλικά, χρησιμοποιούνται στρωματικά σύνθετα υλικά λόγω των εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων τους, οι οποίες επιτυγχάνονται μέσω στρατηγικής αλληλουχίας των στρωμάτων τους, χωρίς ωστόσο να αυξάνεται το βάρος των δομών. Η ταυτόχρονη ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας, ως επιστήμη που εκμεταλλεύεται την ύλη σε ατομικό και μοριακό επίπεδο, έχει προσδώσει νέα δυναμική στη χρήση των σύνθετων υλικών, καθώς τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά των νανοδομών ως πρόσθετο στην πολυμερή μήτρα των FRPCs, μπορούν να προσδώσουν σημαντικά βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες έναντι των κλασικών σύνθετων υλικών. Καθώς οι περιβαλλοντικές ανησυχίες κλιμακώνονται, η ανάπτυξη καινοτόμων υλικών κρίνεται απαραίτητη για την αντιμετώπιση ζητημάτων που σχετίζονται με την κατανάλωση ενέργειας, την παγκόσμια ζήτηση νερού και τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Η νανοτεχνολογία ξεχωρίζει ως κορυφαία τεχνολογία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη βελτίωση των διαδικασιών παραγωγής, την εξάλειψη των επικίνδυνων χημικών ουσιών, τη μείωση των εκπομπών αερίων και την κατασκευή βιοδιασπώμενων υλικών. Η υιοθέτηση φιλικών προς το περιβάλλον λύσεων, όπως νανοαισθητήρων για την παρακολούθηση του οικοσυστήματος, νανοφίλτρων για την επεξεργασία νερού και νανοσύνθετων υλικών για δομικά στοιχεία, ευθυγραμμίζεται με τους Ευρωπαϊκούς στόχους για καινοτόμες πράσινες τεχνολογίες. Ωστόσο, για τη σωστή εφαρμογή της νανοτεχνολογίας απαιτείται η πλήρης κατανόηση των φυσικομηχανικών ιδιοτήτων των νανοσύνθετων υλικών. Ως εκ τούτου, χρειάζεται ολοκληρωμένη μελέτη για τη μηχανική συμπεριφορά των νανοσύνθετων σε περιβάλλον με θερμοκρασιακές μεταβολές και υγρασία. Επίσης θα πρέπει να εξεταστεί ο αντίκτυπος των μικροδομικών χαρακτηριστικών των νανοσωματιδίων, όπως οι νανοσωλήνες άνθρακα, στη μοντελοποίηση των νανοσύνθετων, σε μικροκλίμακα (ίνα και μήτρα), μεσοκλίμακα (στρώμα σύνθετου) και μακροκλίμακα (στρωματική δομή). Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή αναπτύσσεται μία υπολογιστική μοντελοποίηση πολλαπλής κλίμακας, που σε συνδυασμό με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, γίνεται πρόβλεψη της μηχανικής συμπεριφοράς και αστοχίας δομών από στρωματικά σύνθετα υλικά ενισχυμένα με νανοσωλήνες άνθρακα, αναλύοντας τη μηχανική συμπεριφορά τους σε διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες και λαμβάνοντας υπόψη τα μικροδομικά χαρακτηριστικά και καταστάσεις των νανοδομών στης πολυμερή μήτρα.