Προβλεπτικός έλεγχος για διακοπτικές ανορθωτικές διατάξεις

Abstract

This work is based on the development of numerical tools for the computational analysis of engineering structures that involve adhesion problems, that is interface and interphase problems. The proposed numerical tools are implemented within the framework of non-linear Finite Element Methods (FEM) and are developed so as to be utilized by design engineers and researchers for the design and analysis of adhesively bonded joints and composite structures. Initially, a Progressive Failure Model (PFM) is developed and applied to predict the behaviour of an experimentally tested blade-stiffened panel found in the literature. The developed PFM has been implemented in non-linear finite element analysis procedures under the framework of the commercial software Ansys. Failure initiation and failure propagation as well as the post buckling ultimate attained load have been numerically evaluated. Final failure behaviour of the simulated stiffened panel is due to sudden global failure, as concluded from comparisons between numerical and experimental results being in good agreement. In the following, particular focus has been given initially in the study of the failure mechanisms that evolve during the pure mode delamination propagation in fiber reinforced composite materials (interface problems) and later in the study of the mixed-mode loading and fracture of adhesively bonded joints (interphase problems). The proposed numerical tools involve novel constitutive relations that describe the aforementioned phenomena and are based on fracture and damage mechanics, in accordance to Cohesive Zone Modeling (CZM) techniques. Initially, a continuum damage constitutive model is presented for the prediction of the in-plane failure modes of laminated composite materials. In the following, new cohesive laws are developed for the prediction of delamination initiation and propagation under Mode I and Mode II loading and fracture in fibrous laminated composite materials. Having provided numerical predictions of the failure response of composite materials, the next research activity is focused on providing constitutive relations for the predictions of structural adhesively bonded joints. The proposed constitutive relations, are validated with tests conducted on steel-to-steel and steel-to-composite adhesive joint geometries that involve flat adherents. Next, a numerical parametric study, that involves axisymmetric adhesive joints (tubular cases), has been conducted, showing the potential of the proposed numerical tool. In conclusion, the present PhD thesis provides separate numerical tools that can be combined for the prediction of the failure response of structures that involve composite materials and adhesive joints.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή, που τιτλοφορείται «Προβλεπτικός Έλεγχος για Διακοπτικές Ανορθωτικές Διατάξεις», αποτελεί μια εναλλακτική πρόταση στο πολυσύνθετο πρόβλημα του ελέγχου των διακοπτικών ανορθωτικών διατάξεων. Κύρια επιδίωξη της εργασίας αποτελεί η ανάδειξη των πλεονεκτημάτων του προβλεπτικού ελέγχου έναντι των γνωστών – παραδοσιακών ελεγκτών σε αυτή την κατηγορία των μετατροπέων των ηλεκτρονικών ισχύος. Η μελέτη των συγκεκριμένων μετατροπέων παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους ηλεκτρολόγους μηχανικούς, κυρίως γιατί τοποθετείται σε δυο επιστημονικά πεδία, της ενέργειας και των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου. Ο προτεινόμενος προβλεπτικός ελεγκτής στηρίζεται στο μαθηματικό μοντέλο διακριτού χρόνου του μετατροπέα, συμπεριλαμβανομένων της πηγής ηλεκτρικής ενέργειας και του φορτίου. Μέσω αυτού, προβλέπει τη μελλοντική τιμή των μεταβλητών ελέγχου σε ένα εύρος χρόνου, που καλείται ορίζοντας πρόβλεψης, επιβάλλοντας τους τη χρονική τους διακύμανση εντός προκαθορισμένων ορίων. Η βέλτιστη δράση ελέγχου, που αντιστοιχεί σε κάποια επιτρεπτή διακοπτική κατάσταση, προκύπτει έπειτα από την ελαχιστοποίηση του κριτηρίου βελτιστοποίησης, μέσω του οποίου επιτυγχάνονται οι απαιτούμενοι λειτουργικοί στόχοι. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται σε κάθε νέα δειγματοληψία. Η δομή της προκείμενης διδακτορικής διατριβής οργανώνεται ως εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται συνοπτικά η ιστορική αναδρομή των διακοπτικών ανορθωτικών διατάξεων και το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο που απαιτείται για την σχεδίαση των προβλεπτικών ελεγκτών μετατιθέμενου ορίζοντα καθώς και η προτεινόμενη εναλλακτική σχεδίαση του προβλεπτικού ελέγχου με περιορισμούς. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η σχεδίαση του προτεινόμενου προβλεπτικού ελεγκτή για τις διακοπτικές ανορθωτικές διατάξεις πλήρους γέφυρας. Αναφορικά με την μορφή της τάσης ακροδεκτών του μετατροπέα, επιτυγχάνεται η λειτουργία σε τρία επίπεδα χωρίς την προσθήκη σημάτων διαμόρφωσης (modulator), με σκοπό τον βέλτιστο λειτουργικό τρόπο. Για λόγους αξιολόγησης, τα αποτελέσματα του προτεινόμενου ελεγκτή αντιπαραβάλονται με τα αντίστοιχα ενός άλλου, που στηρίζεται στη τεχνική ελέγχου της ολίσθησης επί επιφάνεια. Είναι γνωστό ότι ο πολυεπίπεδος μετατροπέας των εν σειρά αλληλένδετων μονοφασικών πλήρως ελεγχόμενων ανορθωτικών διατάξεων, είναι μια από τις πιο δημοφιλής τοπολογίες μεταξύ των πολυεπίπεδων μεταροπέων, με σημαντικά πλεονεκτήματα και διακριτά μειονεκτήματα. Στην παρούσα διατριβή και συγκεκριμένα στο κεφάλαιο 3, η συγκεκριμένη τοπολογία αναλύεται σε εικονικές αποσυζευγμένες βαθμίδες και κατόπιν εφαρμόζεται ο προτεινόμενος προβλεπτικός ελεγκτής για τη λειτουργία της κάθε βαθμίδας σε ίδια ή διαφορετική τάση, ή/και διαφορετικό φορτίο. Διερευνάται επίσης η ευρωστία του προβλεπτικού ελεγκτή σε μη μοντελοποιημένες αβεβαιότητες του συστήματος και η επίδραση αυτών στους συντελεστές της ποιότητας της ηλεκτρικής ισχύος. Ο προτεινόμενος ελεγκτής επανασχεδιάζεται στο κεφάλαιο 3, για την περίπτωση των πολυεπίπεδων μονοφασικών διακοπτικών ανορθωτικών διατάξεων με αλληλένδετες βαθμίδες και επιβεβαιώνεται λειτουργικά μέσω προσομοιώσεων αλλά και πειραματικών μετρήσεων σε πρότυπη διάταξη. Τέλος, στο κεφάλαιο 4, μια ακόμη μονοφασική διακοπτική ανορθωτική διάταξη, ο ανορθωτής ημιγέφυρας διπλάσιας ανύψωσης της συνεχούς τάσης, διερευνάται πειραματικά μέσω του προτεινόμενου προβλεπτικού ελεγκτή