University of Patras Department of Mechanical Engineering & Aeronautics Numerical simulation of ...

176 Pages·2013·6.58 MB·English

University of Patras
Department of Mechanical Engineering & Aeronautics

Numerical simulation of damage progression in GFRP
composites under cyclic loading

Elias N. Eliopoulos
Mechanical & Aeronautical Engineer

PhD Thesis

Patras 2013

Supervisor:

Dr. Theodore P. Philippidis1, Associate Professor.

Doctoral committee:

Dr. Theodore P. Philippidis, Associate Professor.
Dr. Vassilis Kostopoulos1, Professor.
Dr. Dimitris A. Saravanos1, Professor.

Opponents:

Dr. Spiros G. Pantelakis1, Professor.
Dr. George N. Labeas1, Associate Professor.
Dr. Christos Kassapoglou2, Associate Professor.
Dr. Anastasios P. Vassilopoulos3, Maître d'enseignement et de recherche.

1 Department of Mechanical Engineering & Aeronautics, University of Patras.
2 Delft University of Technology, Faculty of Aerospace Engineering.
3 École Polytechnique Fédérale de Lausanne.

Defended in public on July 25th 2013 at University of Patras.
1
University of Patras
Department of Mechanical Engineering & Aeronautics
Division of Applied Mechanics, Technology of Materials and Biomechanics
Laboratory of Applied Mechanics and Vibrations
CORE Team
P.O. Box 1401, GR 26504 Panepistimioupolis, Rio, Greece
Tel.: [phone], 969451
Fax: [phone]
Site: www.core.mech.upatras.gr
E-mail: [email protected], [email protected]
2

Με την ευκαιρία της ολοκλήρωσης αυτής της εργασίας, θα ήθελα να
ευχαριστήσω τα μέλη του στενού οικογενειακού μου περιβάλλοντος, τους γονείς
μου Νίκο και Διαμάντω, την αδερφή μου Αναστασία και το θείο μου Γιώργο, για
την πλήρη στήριξή τους στην μέχρι τώρα ζωή μου, γιατί και τα αυτονόητα πρέπει
μερικές φορές να λέγονται.
Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα Καθηγητή μου, Θεόδωρο
Φιλιππίδη, για την παροχή ανεκτίμητης καθοδήγησης και γνώσης, που είχε ως
αποτέλεσμα τη βελτίωσή μου ως Μηχανικού και Ερευνητή, καθώς και την
ολοκλήρωση της παρούσας εργασίας.
Τέλος, ευχαριστώ τους καλούς μου φίλους και τα μέλη του ευρύτερου
οικογενειακού μου περιβάλλοντος για την συμπαράστασή τους και τα μέλη της
ερευνητικής ομάδας του κ. Φιλιππίδη, νυν και πρώην, που είχα την τύχη να
γνωρίσω, για την καλή συνεργασία και το ευχάριστο εργασιακό περιβάλλον όλα
αυτά τα χρόνια.

Ηλίας Ν. Ηλιόπουλος
“Αξίζει φίλε να υπάρχεις για ένα όνειρο κι ας είναι η φωτιά του να σε κάψει”
Άλκης Αλκαίος

5
Summary (in Greek)

Αντικείμενο της εργασίας αποτελεί η ανάπτυξη ανισότροπου μη γραμμικού
καταστατικού μοντέλου υλικού, που περιλαμβάνει την πρόβλεψη της έναρξης και
προοδευτικής διάδοσης της βλάβης, για την προσομοίωση της μηχανικής
συμπεριφοράς πολύστρωτων διατάξεων από ινώδη σύνθετα υλικά υπό κυκλική
φόρτιση. Το καταστατικό μοντέλο χρησιμοποιεί ως δεδομένα εισόδου τη
μηχανική συμπεριφορά της στρώσης υπό κυκλική εντατική κατάσταση σταθερού
εύρους και προβλέπει τη διάρκεια ζωής και την εναπομένουσα δυσκαμψία και
στατική αντοχή οποιασδήποτε πολύστρωτης διάταξης υπό πολυαξονική κυκλική
φόρτιση μεταβλητού εύρους.
Στο πλαίσιο της εργασίας διεξήχθησαν πειράματα για την ανάπτυξη
καταστατικών μοντέλων που περιγράφουν την μηχανική συμπεριφορά της
στρώσης υπό κυκλική φόρτιση, στις κύριες διευθύνσεις της, επεξεργάστηκαν
πειραματικά δεδομένα, παρήχθησαν τα καταστατικά μοντέλα και αναπτύχθηκε
κώδικας για την προσομοίωση.
Τα μοντέλα της μηχανικής συμπεριφοράς της στρώσης υπό κυκλική εντατική
κατάσταση παρουσιάστηκαν λεπτομερώς, όπως προέκυψαν από την
επεξεργασία δεδομένων από 304 πειράματα, στατικά και κοπωτικά.
Εισήχθησαν νέα καταστατικά μοντέλα για την αναπαράσταση της μηχανικής
συμπεριφοράς της στρώσης υπό κυκλική φόρτιση, για τις ιδιότητες που δεν
υπήρχαν διαθέσιμα ή που τα διαθέσιμα κρίθηκαν μη ικανοποιητικά.
Η μέθοδος είχε δύο εφαρμογές. Στην μία θεωρήθηκε ομογενές εντατικό πεδίο
και ο υπολογισμός της εντατικής κατάστασης έγινε με τις υποθέσεις της κλασικής
θεωρίας πολύστρωτων πλακών. Η άλλη ήταν σε εμπορικό κώδικα
πεπερασμένων στοιχείων.
Διεξήχθη εκτενής ποιοτική ανάλυση ευαισθησίας της μεθόδου για να
διαπιστωθεί ποιοί παράγοντες επηρεάζουν περισσότερο τα αποτελέσματα.
Η εγκυρότητα της μεθόδου επιβεβαιώθηκε από ιδιαίτερα εκτενή σύγκριση
των προβλέψεων και των δύο εφαρμογών της με πειραματικά δεδομένα: 785
6
πειράματα διαφόρων πολύστρωτων διατάξεων υπό διάφορες συνθήκες
φόρτισης.
7
Notation

GFRP Glass-Fibre Reinforced Polymer
CA Constant Amplitude
VA Variable Amplitude
FADAS FAtigue DAmage Simulator, the developed code
DE Differential Element implementation of FADAS
FE Finite Element
CLD Constant Life Diagram
UTS Ultimate Tensile Stress
UCS Ultimate Compressive Stress
OB Optimat Blades, acronym of research project
UD Uni-Directional
MD Multi-Directional
CLT Classical Lamination Theory
FF Fibre Fracture
FF Fibre Fracture in tension
T
FF Fibre Fracture in compression
C
IFF Inter-Fibre Fracture (matrix failure)
IFF Inter-Fibre Fracture mode A
A
IFF Inter-Fibre Fracture mode B
B
IFF Inter-Fibre Fracture mode C
C
T Tension
C Compression
NLS Number of Load Steps per segment
FPF First Ply Failure
LPF Last Ply Failure

8