Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/13870
Title: Αριθμητική προσομοίωση της συμπεριφοράς λόγω κεραυνικού φορτίου συνδέσεων συνθέτων υλικών με κοχλίες και κόλλα
Other Titles: Comparison of lightning strike damage in bolted and bonded CFRP joints using a coupled electrothermal FE model
Authors: Σοφιανός, Αλέξανδρος
Keywords: Κεραυνικό φορτίο
Σύνδεση μονής επικάλυψης
Σύνθετα υλικά εποξικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες άνθρακα
Ηλεκτρο-θερμική προσομοίωση
Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων
Keywords (translated): Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRPs)
Electrical lightning strikes
Abstract: Τα σύνθετα υλικά εποξικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες άνθρακα (CFRPs) έχουν πλέον βρει ευρεία χρήση στην αεροναυπηγική. Λόγω της ημιαγώγιμής τους φύσης, τα κεραυνικά φορτία δύναται να προκαλέσουν σημαντικές βλάβες σε αεροναυπηγικές δομές φτιαγμένες από τέτοια υλικά. Σε πλάκες CFRP που έχουν συνδεθεί μεταξύ τους με μηχανικά στοιχεία ή εποξικές κόλλες, η βλάβη που προκαλείται από τέτοιου είδους φορτίσεις είναι ένα περίπλοκο φυσικό φαινόμενο. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, προκειμένου να διερευνηθούν οι άμεσες επιπτώσεις διαφόρων κεραυνικών φορτίων σε συνδέσεις CFRP λόγω του φαινομένου θέρμανσης Joule, αναπτύχθηκε ένα ηλεκτρο-θερμικό μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων με την χρήση του εμπορικού πακέτου ANSYS. Δύο περιπτώσεις συνδέσεων μονής επικάλυψης εξετάστηκαν, μια με κοχλία και μια με κόλλα. Το μοντέλο βασίστηκε στο πεπερασμένο στοιχείο SOLID5 που εφαρμόζει μη-γραμμική και χρονομεταβαλλόμενη ανάλυση. Η κύρια είσοδος στο μοντέλο ήταν οι ηλεκτρο-θερμικές ιδιότητες του συνθέτου υλικού, οι οποίες μεταβάλλονται με την θερμοκρασία. Τρία κεραυνικά φορτία μικρής, μέσης και υψηλής μέγιστης έντασης εξετάστηκαν στην παρούσα εργασία σύμφωνα με το πρότυπο SAE ARP 5412. Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν τον χαρακτήρα της θερμικής βλάβης σε τέτοιου είδους συνδέσεις, όπως στην περίπτωση της μηχανικής σύνδεσης όπου η ύπαρξη του κοχλία διευκόλυνε την κατά το πάχος υποβάθμιση του υλικού, σε αντίθεση με την συγκολλητή σύνδεση όπου η αύξηση της μέγιστης φόρτισης οδήγησε σε κλιμάκωση της επιφάνειας πυρόλυσης της μήτρας αλλά και υποβάθμισης και καταστροφής των ινών. Τέλος, μέσω στατικής μηχανικής ανάλυσης προβλέφθηκε η εναπομένουσα δυσκαμψία των συστημάτων σύνδεσης λαμβάνοντας υπόψη τις υποβαθμίσεις των μηχανικών ιδιοτήτων που προέκυψαν από την εφαρμογή του κεραυνικού φορτίου.
Abstract (translated): Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRPs) composite structures are widely used in aeronautical structures. Due to their semiconducting nature of CFRPs, lightning strikes can cause significant damages in aircraft components made from such materials. In CFRP laminates joined by mechanical fasteners or adhesive bonding, the damage induced by lightning strikes is a complex multiphysics coupling process. In the present work, in order to study the effects of the different lightning current components on CFRP joints due to the Joule heat flux phenomenon, a coupled electro-thermal FE model has been developed using the ANSYS commercial FE code. Two case studies are considered, i.e. a bolted single-lap joint and an adhesively bonded single-lap joint of CFRP laminates. The model is based on the SOLID5 coupled field solid element and applies a non-linear, time-transient analysis. The main input to the model is the thermal-electrical properties of the CFRP material which vary with temperature. Three electrical lightning strikes of low, medium, and high peak intensity have been applied according to the SAE ARP 5412 standard. The numerical results reveal the detrimental effect of the lightning strike on the bolted joint of the riveted case as the electro-thermal conditions on the bolt facilitated the through-the-thickness degradation of the CFRP material, as opposed to the adhesively bonded joint where the increase of the peak intensity has led to an escalation of the area and penetration of matrix thermal damage (pyrolysis) as well as to the increase of fiber damage (deterioration and ablation). Through static mechanical analysis, the residual joint stiffness has been also predicted.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
DT_M_SOFIANOS_ALEXANDROS_1047333.pdf4.67 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.