Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/14582
Title: Βελτιστοποίηση σχήματος επιθεμάτων επισκευής δομών από σύνθετα υλικά
Other Titles: Optimization of shape of repair patches for composite material structures
Authors: Γιαννούτσου, Μαρία-Παναγιώτα
Keywords: Επίθεμα επισκευής
Βελτιστοποίηση
Keywords (translated): Repair patch
Optimization
Abstract: Η επισκευή δομών από σύνθετα υλικά αποτελεί μία άμεσα εφαρμόσιμη και οικονομικά συμφέρουσα λύση για την επέκταση της διάρκειας ζωής της κατασκευής. Ιδιαίτερα η επισκευή μέσω επιθεμάτων από σύνθετο υλικό που τοποθετούνται μέσω ενός φιλμ κόλλας σε κατάλληλα διαμορφωμένη εσοχή της επισκευαζόμενης δομής γνωρίζει ευρεία εφαρμογή. Ωστόσο, τα επιθέματα συμβατικού κυκλικού σχήματος έχουν αποδειχθεί συντηρητικές λύσεις για την επισκευή κατασκευών από σύνθετα υλικά και αφήνουν περιθώρια βελτιστοποίησης του σχήματος του επιθέματος, τόσο ως προς την αντοχή , όσο και ως προς τον όγκο υγιούς υλικού που αφαιρείται για να τοποθετηθεί το επίθεμα. Στην παρούσα εργασία διεξήχθη έρευνα για τον προσδιορισμό βέλτιστων ελλειπτικών επιθεμάτων επισκευής τύπου stepped έναντι του βέλτιστου συμβατικού κυκλικού stepped επιθέματος και για την αξιολόγηση της απόδοσης διαφόρων μεθόδου σχεδιασμού. Κάθε επίθεμα σχεδιάστηκε με βάση 4 πεδία : τον προσανατολισμό της έλλειψης κάθε στρώσης, το είδος φόρτισης ως προς το οποίο σχεδιάζεται να έχει επαρκή αντοχή το επίθεμα, τον τρόπο υπολογισμού της γωνίας scarf και τον τρόπο υπολογισμού του μήκους step. Για κάθε πεδίο εφαρμόστηκαν εναλλακτικές μέθοδοι σχεδιασμού. Οι μέθοδοι σχεδιασμού της γωνίας scarf και του step είναι προτεινόμενες από τη βιβλιογραφία για σχεδιασμό scarf και stepped επιθεμάτων ή απλών ενώσεων. Οι εξισώσεις αυτές προσαρμόστηκαν κατάλληλα για τον υπολογισμό του μικρού και μεγάλου άξονα των ελλείψεων των stepped επιθεμάτων. Έτσι, σε συνδυασμό με τους απαραίτητους γεωμετρικούς περιορισμούς σχεδιάστηκαν στο περιβάλλον του Matlab συνολικά 42 ελλειπτικά επιθέματα διαφορετικών διαστάσεων, με κάθε επίθεμα να προέρχεται από διαφορετικό συνδυασμό μεθόδων σχεδιασμού. Μεταξύ αυτών των 42 επιθεμάτων, μοντελοποιήθηκαν στο Abaqus τα 31, διότι αυτά βρίσκονταν εντός των ορίων στήριξης και ταυτόχρονα απαιτούσαν μικρότερο ή σχεδόν ίσο όγκο αφαιρούμενου υλικού από το κυκλικό επίθεμα. Κάθε μοντέλο αποτελούνταν από μια πολύστρωτη πλάκα επισκευασμένη με ένα ελλειπτικό επίθεμα του ίδιου υλικού. Στο μοντέλο προστέθηκε στήριξη κατά του λυγισμού και εφαρμόστηκε θλιπτικό φορτίο κατά τη διεύθυνση x (παράλληλα στο μήκος της πλάκας).Για κάθε μοντέλο υπολογίστηκε στο Abaqus η αντοχή της επισκευασμένης πλάκας και στη συνέχεια ο λόγος αντοχής ανά μονάδα όγκου αφαιρούμενου υλικού από την πλάκα. Τα δύο αυτά μεγέθη συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα μεγέθη της επισκευής με βέλτιστο κυκλικό επίθεμα λόγου scarf 1/50. Επιπλέον, αξιολογήθηκαν οι μέθοδοι σχεδιασμού ανά πεδίο σχεδιασμού και εντοπίστηκε για κάθε πεδίο η μέθοδος ή οι μέθοδοι που επέφεραν κατά μέσο όρο τα βέλτιστα αποτελέσματα. Από τις 31 ελλειπτικές γεωμετρίες οι 5 έδειξαν βέλτιστη απόδοση έναντι της κυκλικής για καταπόνηση της πλάκας υπό θλιπτικό φορτίο στη διεύθυνση x. Οι 5 αυτές βέλτιστες γεωμετρίες μοντελοποιήθηκαν εκ νέου για φόρτιση της πλάκας υπό θλιπτικό φορτίο στη διεύθυνση y και στις 45◦ προκειμένου να διερευνηθεί η αξιοπιστία τους σε γενικότερες συνθήκες φόρτισης. Για λόγους σύγκρισης μοντελοποιήθηκε και η κυκλική επισκευή με καταπόνηση στις 90◦ και 45◦ και τελικά 2 από τα επιθέματα αποδείχθηκαν βέλτιστα έναντι του κυκλικού και για τις 3 μορφές καταπόνησης.
Abstract (translated): Repair of composite structures constitutes a directly applicable and cost-effective solution for the extension of a structure’s servive life. Especially, repairs that include the implementation of a composite repair patch into a suitably formed niche with the same geometry as the patch and the stabilization of the patch by an adhesive film are widely adopted. Nevertheless, conventional circular patches have been proved to be overly conservative for the repair of composite structures and they allow the optmization of a repair patch’s shape, in terms of both strength and amount of pristine material removal that is needed for the formulation of the niche. At the present diploma thesis, an investigation was coducted in order to determine optimized geometries of elliptical composite stepped repair patches, as compared to the optimum circular repair patch. Furthermore, the evaluation of the performance of several repair design methodologies was an additional purpose of the current study. Each one of the repair patches was designed based on 4 fields : the orientation of each ply’s ellipse, the type of load under which the repair is designed to exhibit sufficient strength , the method of scarf angle’s calculation and the method of step length’s calculation. For each filed alternative methodologies were implemented. The design methodologies of scarf angle and step length were proposed in literature for the design of stepped and scarf repair patches or simple 2D joints. These equations were suitably adapted to calculate the minor and major axis of the patches’ ellipses. Thus, in conjuction with the necessary geometrical limitations ,42 elliptical patces of different dimensions were designed in Μatlab and each repair patch originates from a different combination of design methodologies. Among the aforementioned 42 patces, 31 of them were modelled in Abaqus , since only these specific ones remained inside the bordere which the anti-buckling support defined. Each model consisted of a composite laminate plate repaired with an elliptical patch of the same material. An anti-buckling support was added to the repair and a compressive load was implemented across x direction (parallel to the length of the plate). The strength of the repair was calculated via Abaqus analysis for all models and afterwards the ratio of strength per unit of undamaged removed material volume was also calculated. The above two quantities were compared to the corresponding quantities of the repaired plate with an optimum circular patch of scarf ratio 1/50. The design methodologies of each design field were evaluated and the method or methods of each filed that led to optimum results , on average, were detected. Among the 31 modelled repairs, 5 of them exhibited optimum performance over the circular form, in terms of compressive load on x direction. These 5 optimum repair shapes were modelled under uniaxial compressive load on the directions of 90◦ and 45◦ , in order to further investigate their credibility under more general loading conditions. For comparison puproses , the repaired plate with the optimum circular patch was also modelled under load on directions of 90◦ and 45◦ ans finally 2 repair geometries were proved to optimum compared to the circular patch for the 3 kinds of loading.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
DT_M_GIANNOUTSOU_MARIA-PANAGIOTA_1047301.pdf6.4 MBAdobe PDFView/Open


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