Μοντελοποίηση αεροναυπηγικών κατασκευών αποτελούμενες από ινώδη μεταλλικά πολύστρωτα σύνθετα υλικά - Καλφούντζος, Κωνσταντίνος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών, 2018)
Το αντικείμενο της παρούσας Μεταπτυχιακής Εργασίας, η οποία εκπονήθηκε στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων του Τομέα Μηχανικής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου για το Δ.Π.Μ.Σ. της Υπολογιστικής Μηχανικής, ήταν η στατική μελέτη λεπτών, απλώς εδρασμένων και περιστροφικά περιορισμένων πλακών ορθογώνιου σχήματος σε λυγισμό λόγω μονοαξονικής θλίψης και καθαρής διάτμησης. Αυτές οι πλάκες αποτελούνται από υλικό GLARE. Το GLARE ανήκει στην κατηγορία των ινωδών μεταλλικών πολύστρωτων υλικών (Fiber Metal Laminates-FMLs), τα οποία αποτελούν υποκατηγορία των σύνθετων υλικών. Ειδικότερα, τα ινώδη μεταλλικά πολύστρωτα είναι υβριδικά σύνθετα υλικά και αποτελούνται από διαδοχικές εναλλασσόμενες στρώσεις μετάλλου και μονοκατευθυντικού ινώδους σύνθετου. Το αλουμίνιο είναι το πιο διαδεδομένο μέταλλο, ενώ χρησιμοποιούνται και χάλυβας, μαγνήσιο ή τιτάνιο. Υπάρχει απεριόριστη πληθώρα πιθανών συνδυασμών υβριδικών υλικών, ανάλογα με την εκάστοτε επιλογή των παραμέτρων σχεδίασης. Μερικές από αυτές τις παραμέτρους είναι το κλάσμα του όγκου του μετάλλου και ο προσανατολισμός των ινών της κάθε στρώσης σύνθετου υλικού. Το GLARE είναι το πιο επιτυχημένο από τα FMLs, μέχρι τώρα, και χρησιμοποιείται στην κατασκευή αεροδιαστημικών κατασκευών όπως στην άτρακτο του Airbus A380, σε τμήματα του Boeing 777 και σε περιβλήματα αεροπορικών κινητήρων. Στη συγκεκριμένη εργασία, υπολογίζονται οι τιμές των βασικών μεγεθών λυγισμού χρησιμοποιώντας, αφενός, αναλυτικές σχέσεις και, αφετέρου, την αριθμητική μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων μέσω του εμπορικού προγράμματος ANSYS®. Οι τιμές που προκύπτουν από τις δύο μεθόδους συγκρίνονται μεταξύ τους, με τη γενική σύγκλιση των αποτελεσμάτων να κρίνεται πολύ ικανοποιητική. Εκτός από την εν λόγω σύγκριση, παρουσιάστηκαν και αναλύθηκαν τα συγκεντρωτικά συγκριτικά διαγράμματα είτε της αναλυτικής είτε της αριθμητικής μεθόδου από τα οποία εξήχθησαν συμπεράσματα για την αντοχή σε λυγισμό των υπό μελέτη υλικών σε σχέση με τις διάφορες παραμέτρους σχεδίασης. Αρχικά, στο κεφάλαιο της Εισαγωγής γίνεται μια γενική αναφορά στα σύνθετα υλικά και στις υποκατηγορίες τους. Αναλύεται το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο για τη μελέτη των πολύστρωτων σύνθετων υλικών σε λυγισμό και πραγματοποιείται μία σύντομη ανασκόπηση των προηγούμενων ερευνών σε σχέση με το λυγισμό των σύνθετων υλικών και των FMLs. Ξεκινώντας με την ερευνητική διαδικασία, υπολογίζονται τα κρίσιμα μεγέθη λυγισμού των ορθογώνιων πλακών αλουμινίου (Al 2024-T3) με βασική μεταβλητή παράμετρο τις διαστάσεις τους, μέσω της εφαρμογής αναλυτικών και προσεγγιστικών τύπων και συγκρίνονται με τις αντίστοιχες τιμές οι οποίες υπολογίζονται μέσω της αριθμητικής επίλυσης. Όπως προαναφέρθηκε η σύγκλιση 6 των αποτελεσμάτων κρίνεται πολύ ικανοποιητική καθιστώντας επιτρεπτή την επέκταση της αριθμητικής διαδικασίας στα αμιγώς πολύστρωτα υλικά, αρχικά, και στα GLARE, στη συνέχεια. Σημειώνεται ότι οι συνθήκες στήριξης στη μονοαξονική θλίψη είναι απλή έδραση και περιορισμός των στροφών κατά μήκος των πλευρών της πλάκας, όπως και στην καθαρή διάτμηση όπου προστίθεται, όμως, και η μικτή οριακή συνθήκη. Ακολούθως, πραγματοποιείται σύγκριση της αναλυτικής με την αριθμητική μέθοδο για τα αμιγώς πολύστρωτα διαφορετικού προσανατολισμού ινών και τα GLARE υλικά σε μονοαξονική θλίψη με απλή έδραση, ενώ παρουσιάζονται οι γραφικές παραστάσεις των αποτελεσμάτων της αριθμητικής μεθόδου για τις υπόλοιπες περιπτώσεις συνοριακών συνθηκών και φόρτισης. Μέσω της ανάλυσης των συγκεντρωτικών συγκριτικών διαγραμμάτων φάνηκε ότι την πιο καθοριστική επίδραση στο κρίσιμο φορτίο λυγισμού έχουν οι συνθήκες στήριξης, με το κλάσμα του όγκου του μετάλλου και τον προσανατολισμό των ινών του σύνθετου να επιδρούν με, επίσης, ουσιώδη τρόπο. Γενικά, ο περιορισμός των στροφών καθιστά τα GLARE πιο δύσκολα στο λυγισμό τους και όσο μεγαλύτερο είναι το κλάσμα του όγκου του μετάλλου, επίσης, τόσο δυσκολότερα λυγίζει το εν λόγω υλικό. Αντίστοιχες παρατηρήσεις πραγματοποιήθηκαν και για τις ιδιομορφές των λυγισμένων πλακών με διαφορετικά συμπεράσματα ανάλογα με τις συνθήκες φόρτισης, στήριξης και του προσανατολισμού των ινών. Τέλος, διερευνήθηκε η δυνατότητα εφαρμογής του νόμου των μιγμάτων στον υπολογισμό της κρίσιμης τάσης λυγισμού με ικανοποιητικά αποτελέσματα και μελετήθηκε η επίδραση του ποσοστού του όγκου των ινών του σύνθετου υλικού στα κρίσιμα μεγέθη λυγισμο