Θερμομηχανική συμπεριφορά προηγμένων υλικών - Νικολαράκης, Αντώνιος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών. Τομέας Μηχανικής, 2016)
Σε πολλές κατασκευές όπου τα δομικά μέλη υποβάλλονται σε έντονες θερμομηχανικές καταπονήσεις, απαιτείται η χρήση σύνθετων υλικών. Ωστόσο, η ασυνέχεια των θερμομηχανικών ιδιοτήτων που υπάρχει στη διεπιφάνεια μεταξύ των διαφορετικών υλικών ενός συμβατικού σύνθετου υλικού συχνά οδηγεί σε τοπική συγκέντρωση τάσεων. Μία πιθανή λύση στο ανωτέρω πρόβλημα είναι η χρήση υλικών διαβαθμισμένων ιδιοτήτων (functionally graded materials – FGMs), τα οποία είναι προηγμένα υλικά που χαρακτηρίζονται από τη μεταβολή των ιδιοτήτων τους με συνεχή τρόπο. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η αριθμητική μελέτη των μεταβατικών πεδίων της μετατόπισης, της θερμοκρασίας και της τάσης που αναπτύσσονται σε μία λωρίδα διαβαθμισμένων ιδιοτήτων, η οποία υποβάλλεται σε συνθήκες θερμικού σοκ (thermal shock conditions). Στη γενική περίπτωση η λωρίδα αποτελείται από τρεις στρώσεις: η ανώτερη και η κατώτερη στρώση αποτελούνται από κεραμικό και μεταλλικό υλικό αντίστοιχα, ενώ ανάμεσά τους παρεμβάλλεται μία ενδιάμεση στρώση από προηγμένο υλικό διαβαθμισμένων ιδιοτήτων. Σε αυτή τη λωρίδα, η στρώση του κεραμικού υλικού και η FGM στρώση αποτελούν την επικάλυψη θερμικής προστασίας (TBC) της στρώσης του μεταλλικού υλικού. Αρχικά, η ανάλυση γίνεται στα πλαίσια της ενοποιημένης θεωρίας γενικευμένης θερμοελαστικότητας των Bagri και Eslami, ενώ στη συνέχεια χρησιμοποιείται η κλασική συζευγμένη θερμοελαστικότητα με θερμοκρασιακά-εξαρτώμενες ιδιότητες υλικών (temperature-dependent properties). Σε περιπτώσεις απότομων θερμοκρασιακών μεταβολών, τα αποτελέσματα της γενικευμένης θερμοελαστικότητας ενδέχεται να είναι σημαντικά. Επιπλέον, σε συνθήκες μεγάλων θερμοκρασιακών μεταβολών ο συνυπολογισμός της επίδρασης της θερμοκρασίας στις ιδιότητες των υλικών οδηγεί σε πιο ρεαλιστικές αναλύσεις. Για την υπολογιστική ανάλυση των εφαρμογών αναπτύχθηκε κώδικας πεπερασμένων στοιχείων σε περιβάλλον Matlab, όπου για τη χρονική ολοκλήρωση χρησιμοποιείται η μέθοδος Newmark. Τα αποτελέσματα του κώδικα ελέγχθηκαν με βάση αναλυτικές λύσεις που υπάρχουν διαθέσιμες στη βιβλιογραφία. Επίσης, η εκτίμηση των μακροσκοπικών ιδιοτήτων στην FGM στρώση βασίζεται στο μοντέλο Voigt, όπου για το κατ' όγκο ποσοστό του μεταλλικού υλικού εξετάζονται η σιγμοειδής κατανομή (sigmoid law) και η κατανομή εκθετικού νόμου (power law) με παράμετρο . Στόχος των εφαρμογών που παρουσιάζονται είναι καταρχήν η εύρεση της βέλτιστης κατανομής του ποσοστού των υλικών μέσα στο TBC, η οποία ελαχιστοποιεί τις αναπτυσσόμενες τάσεις κοντά στις διεπιφάνειες ανάμεσα στις στρώσεις, εξασφαλίζοντας παράλληλα την απαιτούμενη θερμική προστασία που προσφέρεται στην κατώτερη στρώση του μεταλλικού υλικού.