Πρόβλεψη δημιουργίας, διάδοσης και συνένωσης ρωγμών σε αεροπορικά δομικά στοιχεία με πολλαπλή βλάβη

Abstract

Structural integrity degradation of aeronautical structures due to fatigue, as well as its assessment, represents a major problem of aeronautics. This problem, combined to the fact that numerous aircrafts that have already exceeded their initial design operational life are still in service, led the international scientific community and the aeronautical industry to the in-depth study of aging aircraft. The main problem of an aging aircraft structure is widespread fatigue damage at various areas of the structure, that increase the probability of catastrophic failures. Riveted joints of fuselage or wing panels are areas of high stress concentration and corrosion, therefore, sites susceptible to multiple cracks development. The state of multiple interacting cracks existence at the same structural element is called Multiple Site Damage (MSD) and leads to residual significant strength reduction and structural integrity degradation of the structure. Study and handling of multiple site damage problem is an important research field, as it involves a number of different interacting phenomena, such as crack initiation, propagation and link-up and final structural failure under MSD conditions, as well as the effect of environmental factors like corrosion on the material behaviour. The aim of the present work is the development of an integrated methodology for the prediction of MSD evolution at aeronautical structural elements, in order to make feasible the assessment of their structural integrity throughout their service life. The technological issues that are faced in the frame of the present work by the development of innovative methodologies are: • Stress analysis and stress intensity factors calculation of structures under MSD condition. • Crack initiation and propagation prediction. • Prediction of crack link-up and residual strength. For the stress analysis and stress intensity factor calculation of un-stiffened of stiffened structural elements suitable super-elements are developed for the simulation of crucial structural elements. The super-element methodology is based on finite element sub-structuring technique and, in the present work, is chosen in order to obtain a significant reduction of computation cost with compared to the classical finite element method, so that handling of such complex problems becomes feasible. Fatigue crack initiation at a structural element is a problem exhibiting a strongly stochastic character. A crack initiation prediction methodology is developed according to which the probability of crack initiation at a site of the structure depends on the local stress state combined to a stochastic (random) variation of the fatigue strength at every site susceptible to crack initiation. For the methodology application statistical data from simple fatigue tests are used. For the crack link-up and the residual strength estimation of a multiple cracked structural element an energy-based link-up criterion is developed. The proposed criterion is based on the strain energy variation during the failure of the ligament of two adjacent cracks. Finally, the initiation, propagation and link-up models are combined and implemented in an integrated methodology that can be used for the assessment of multiple site damage evolution. The effectiveness of the methodology is validated using suitable fatigue tests of multiple-site damaged panels.

H υποβάθμιση της δομικής ακεραιότητας των αεροπορικών κατασκευών με το χρόνο και η αποτίμηση της αποτελεί ένα σημαντικό τεχνολογικό πρόβλημα της αεροναυπηγικής. Το πρόβλημα αυτό σε συνδυασμό με το ότι εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται αεροσκάφη, τα οποία έχουν ξεπεράσει τον αρχικά σχεδιασμένο χρόνο της επιχειρησιακής τους λειτουργίας, οδήγησε τη διεθνή επιστημονική κοινότητα και την αεροπορική βιομηχανία να ασχοληθεί με το πρόβλημα του “γηράσκοντος” αεροσκάφους (aging aircraft). Το πρόβλημα της γήρανσης της δομής ενός αεροσκάφους οφείλεται κυρίως στην εμφάνιση ευρείας έκτασης βλάβης κόπωσης (wide spread fatigue damage) σε διάφορες περιοχές της κατασκευής, η οποία αυξάνει την πιθανότητα εμφάνισης καταστροφικών αστοχιών. Οι ηλωτές συνδέσεις των ελασμάτων που συνθέτουν την άτρακτο ή τις πτέρυγες ενός αεροσκάφους αποτελούν περιοχές συγκέντρωσης τάσεων και εστίες διάβρωσης με συνέπεια την εμφάνιση και εξέλιξη μικρών ρωγμών σε πολλαπλά σημεία της δομής. Η κατάσταση της ύπαρξης πολλών αλληλεπιδρουσών ρωγμών στο ίδιο δομικό στοιχείο ονομάζεται πολλαπλή βλάβη (Multiple Site Damage – MSD) και οδηγεί σε σημαντική μείωση της εναπομένουσας αντοχής του δομικού στοιχείου και σε υποβάθμιση της δομικής του ακεραιότητας. Η μελέτη του προβλήματος της πολλαπλής βλάβης και η αντιμετώπισή του αποτελεί σημαντικό πεδίο έρευνας, καθώς περιλαμβάνει πλήθος επιμέρους φαινομένων, τα οποία αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Τέτοια φαινόμενα είναι η έναρξη, η διάδοση και η συνένωση πολλαπλών ρωγμών, η τελική αστοχία δομικού στοιχείου σε συνθήκες πολλαπλής βλάβης, καθώς και η επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων όπως η διάβρωση στη συμπεριφορά των υλικών. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας για την εκτίμηση της εμφάνισης και εξέλιξης της πολλαπλής βλάβης κόπωσης σε αεροπορικά δομικά στοιχεία, έτσι ώστε να είναι εφικτή η εκτίμηση της δομικής τους ακεραιότητας σε οποιαδήποτε στιγμή της διάρκειας λειτουργίας τους. Τα τεχνολογικά προβλήματα, που αντιμετωπίζονται στην παρούσα εργασία με ανάπτυξη πρωτότυπων μεθοδολογιών, περιλαμβάνουν: • Ανάλυση τάσεων σε πολλαπλά ρηγματωμένες κατασκευές και υπολογισμό συντελεστών έντασης τάσεων στις ρωγμές • Πρόβλεψη έναρξης και διάδοσης ρωγμών • Πρόβλεψη συνένωσης ρωγμών και εναπομένουσας αντοχής. Για την ανάλυση τάσεων και τον υπολογισμό των συντελεστών έντασης τάσεων σε πολλαπλά ρηγματωμένα δομικά στοιχεία με ή χωρίς ενισχύσεις (stiffeners) αναπτύσσονται στη βάση της τεχνικής της υπο-μοντελοποίησης της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων (ΠΣ) κατάλληλα υπερ-στοιχεία (super-elements) για τη μοντελοποίηση των κρίσιμων τμημάτων της κατασκευής. Η μεθοδολογία υπερ-στοιχείων επιλέγεται στην παρούσα εργασία, με σκοπό τη σημαντική μείωση του υπολογιστικού κόστους σε σχέση με τις κλασικές μεθόδους των πεπερασμένων στοιχείων, έτσι ώστε να καταστεί πρακτικά δυνατή η επίλυση του πολύπλοκου αυτού προβλήματος. Το πρόβλημα της δημιουργίας νέων ρωγμών λόγω κόπωσης σε κάποιο δομικό στοιχείο παρουσιάζει έντονα πιθανοθεωρητικό χαρακτήρα. Για την αντιμετώπισή του αναπτύσσεται μεθοδολογία σύμφωνα με την οποία η πιθανότητα να εμφανιστεί μια ρωγμή σε κάποιο σημείο μετά από ορισμένο αριθμό κύκλων φόρτισης εξαρτάται τόσο από την τάση που αναπτύσσεται στο σημείο αυτό όσο και από την πιθανότητα ύπαρξης τοπικών ατελειών του υλικού στο υπό εξέταση σημείο. Για την εφαρμογή της μεθοδολογίας χρησιμοποιούνται στατιστικά δεδομένα που προέρχονται από πειράματα κόπωσης απλών δοκιμίων. Για την εκτίμηση της εναπομένουσας αντοχής ενός πολλαπλά ρηγματωμένου δομικού στοιχείου αναπτύσσεται ένα ενεργειακό κριτήριο συνένωσης ρωγμών. Το κριτήριο βασίζεται της μεταβολής της ενέργειας παραμόρφωσης που λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια της αστοχίας του υλικού που συνδέει δύο παρακείμενες ρωγμές. Τέλος, τα μοντέλα έναρξης, διάδοσης και συνένωσης ρωγμών συνδυάζονται σε μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της εξέλιξης της πολλαπλής βλάβης κόπωσης. Η αποτελεσματικότητα της μεθόδου επαληθεύεται με τη βοήθεια πειραμάτων κόπωσης πολλαπλά ρηγματωμένων δοκιμίων.