Συστήματα απορρόφησης ενέργειας: ανάλυση κατασκευών λεπτού πάχους από σύνθετα υλικά

Abstract

Development in the field of vehicle design has been directed towards the use of hybrid composite sandwich structures, which are featured by light weight and improved level of crashworthiness from energy absorbing efficiency and increased safety point of view. The subject of the on hand doctoral thesis is the experimental and finite element analysis and investigation of the crushing behaviour - in terms of deformation modes, energy absorption capability, compressive load-deflection history and crush zone (crash front) characteristics - of square hollow crashworthy bodyshells made of hybrid sandwich foam-cored composite (FRP: Fibre-Reinforced Plastic) material with two different systems of integral core-reinforcing energy absorbing FRP inserts. These bodyshells can be used in the transportation sector as protective (crashworthy) structural elements or systems. Furthermore, the modelling possibilities of contact/impact interaction in crashworthiness analysis are investigated and simulation approaches of the main failure mechanisms of crashworthy thin-walled composite structures are suggested. According to the experimental observations made, the mechanical response as well as the crashworthy behaviour of these small-scale body shells is shown to be extremely complex, with a variety of different micro- and macro-failure mechanisms contributing to the overall energy absorption, and seems to be greatly affected by the structural design and the material properties of the composite sandwich components. By positioning FRP elements within the core of sandwich panels, mechanisms for controlling the failure loads and, hence, the energy absorption capability of a structure can be incorporated. Additionally, in order to examine the effect of triggering mechanism on the crashworthy behaviour of specimens tested, a series of composite sandwich structures were triggered using two different forms of end modification. Both were successful in generating stable progressive crushing, thought there were no noticeable differences between their observed influences on the global collapse response. Although triggering is generally recommended from loading and energy absorbing capacity point of view, the performance of the untriggered specimen in this matter was found higher than that of the triggered ones. The “end-crushing” mode of collapse, characterized by progressive crushing initiated at one end of the shell and failure gradually spread along the specimen’s height was the prevalent deformation mechanism for all the structural configurations. All specimens were crushed at a nearly constant mean load over virtually the entire loading distance, without any significant loss of load-bearing capacity. The explicit FE Code Ls-Dyna was implemented to the simulation of the crash behaviour and energy absorption characteristics of the square composite sandwich bodyshells with reinforced foam-core subjected to axial compressive loading. Ls-Dyna has a wide variety of accurate analysis capabilities of crashes, including a large number of material models, a variety of contact modelling options, a large library of beam, plate, shell and solid elements and robust algorithm for adaptively controlling the solution process. The obtained numerical results are compared with the above mentioned actual experimental data in terms of deformation modes, energy absorption capability, load-deflection history and crush zone characteristics. Although the response of these structures in compressive loading was extremely complex from macro and microscopic point of view, the computed results from the simulation models approached to a satisfactory degree the results obtained by the corresponding experimental works. This was proven at first by the macroscopic comparison between the calculated and the experimentally observed collapse of the sandwich bodyshells and sequentially by comparing the calculated load–displacement curve and main crushing characteristics to the ones obtained by the experimental works. The satisfactory approach of the test results by the developed finite element models - especially concerning the calculation of significant parameters of sandwich structures crashworthy design such as the amount of absorbed deformation energy and average crushing load - shows that finite element modelling may effectively be used to predict the response of composite structures, reducing in this way the size of the absolutely necessary but time and money consuming experimental works.

Η ανάπτυξη του τομέα σχεδιασμού οχημάτων έχει προσανατολιστεί στη χρήση υβριδικών σύνθετων sandwich κατασκευών, που χαρακτηρίζονται από περιορισμένο βάρος και βελτιωμένο επίπεδο συμπεριφοράς σε συνθήκες πρόσκρουσης από τη σκοπιά της απόδοσης στην απορρόφηση ενέργειας και της αύξησης της ασφάλειας. Το αντικείμενο της ανά χείρας διδακτορικής διατριβής είναι η πειραματική και η δια της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων ανάλυση και διερεύνηση της συμπεριφοράς κατάρρευσης (τρόποι παραμόρφωσης, ικανότητα απορρόφησης ενέργειας, διακύμανση θλιπτικού φορτίου, χαρακτηριστικά ζώνης θραύσης/μετώπου κατάρρευσης) τετραγωνικών κελυφών από υβριδικό σύνθετο (FRP: Fibre-Reinforced Plastic) sandwich υλικό με πυρήνα αφρού ενισχυμένο με δύο διαφορετικά συστήματα FRP ένθετων στοιχείων απορρόφησης ενέργειας. Τα κελύφη αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον τομέα των μεταφορών ως προστατευτικά δομικά στοιχεία ή συστήματα έναντι πρόσκρουσης. Επιπλέον, διερευνώνται οι δυνατότητες μοντελοποίησης της αλληλεπίδρασης επαφής/πρόσκρουσης στην ανάλυση της κατάρρευσης των κατασκευών και προτείνονται προσεγγίσεις προσομοίωσης των βασικών μηχανισμών αστοχίας των σύνθετων υλικών. Σύμφωνα με τις πειραματικές παρατηρήσεις, η μηχανική απόκριση καθώς και η ικανότητα απορρόφησης ενέργειας των κελυφών παρουσιάζεται ιδιαίτερα πολύπλοκη, με μια ποικιλία διαφορετικών μηχανισμών μικρο- και μακροαστοχίας να συμβάλλουν στη συνολική απορρόφηση ενέργειας, και φαίνεται να διέπονται από το δομικό σχεδιασμό και τις ιδιότητες των συστατικών υλικών. Με την τοποθέτηση FRP στοιχείων εντός του πυρήνα των sandwich πάνελ, ενσωματώνονται μηχανισμοί ελέγχου των φορτίων αστοχίας/κατάρρευσης και, ως εκ τούτου, της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας της κατασκευής. Επιπλέον, προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση μηχανισμών triggering στη συμπεριφορά κατάρρευσης των εξεταζόμενων δοκιμίων, ενσωματώθηκαν δύο διαφορετικές διαμορφώσεις άκρου σε μια σειρά εξ αυτών. Και οι δύο προκάλεσαν σταθερή προοδευτική κατάρρευση, αν και δεν καταγράφηκαν αξιοσημείωτες διαφορές στη συνολική συμπεριφορά κατάρρευσης. Παρόλο που η διαμόρφωση μηχανισμού triggering συνιστάται γενικά από πλευράς φόρτισης και ικανότητας απορρόφησης ενέργειας, η απόκριση των δοκιμίων χωρίς διαμόρφωση άκρου προέκυψε καλύτερη εκείνων με μηχανισμό triggering σε αυτόν τον τομέα. Ο τρόπος κατάρρευσης “end-crushing”, που χαρακτηρίζεται από προοδευτική κατάρρευση αρχόμενη από το ένα άκρο του κελύφους και σταδιακά διαδιδόμενη κατά το μήκος του, ήταν ο κύριος μηχανισμός παραμόρφωσης σε όλες τις δομικές διατάξεις. Όλα τα δοκίμια κατέρρευσαν με ένα σχεδόν σταθερό μέσο φορτίο καθ’ όλη ουσιαστικά τη διαδρομή φόρτισης, χωρίς κάποια αξιοσημείωτη απώλεια φέρουσας ικανότητας. Για την προσομοίωση της συμπεριφοράς κατάρρευσης και των χαρακτηριστικών της ενέργειας απορρόφησης των τετραγωνικών σύνθετων sandwich κελυφών με ενισχυμένο πυρήνα αφρού σε αξονική θλιπτική φόρτιση, χρησιμοποιήθηκε ο explicit κώδικας πεπερασμένων στοιχείων (finite elements), Ls-Dyna. Ο κώδικας Ls-Dyna παρουσιάζει ευρεία γκάμα προϋποθέσεων ακριβούς ανάλυσης φαινομένων κατάρρευσης που περιλαμβάνουν μεγάλο αριθμό μοντέλων υλικού, ποικιλία επιλογών μοντελοποίησης της αλληλεπίδρασης επαφής, εκτεταμένη βιβλιοθήκη πεπερασμένων στοιχείων τύπου δοκού, κελύφους και συμπαγούς στερεού, καθώς και εύρωστους αλγόριθμους προσαρμοστικού ελέγχου της διαδικασίας επίλυσης. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που προέκυψαν αντιπαραβάλλονται με τα προαναφερθέντα πειραματικά αποτελέσματα αναφορικά με τους τρόπους παραμόρφωσης, την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας, τη διακύμανση της καμπύλης φορτίου-μετατόπισης και τα χαρακτηριστικά της ζώνης κατάρρευσης. Παρόλο που η συμπεριφορά αυτών των κατασκευών είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη από μικρο- και μακροσκοπική θεώρηση, τα υπολογιστικά αποτελέσματα των μοντέλων της προσομοίωσης προσέγγισαν σε ικανοποιητικό βαθμό εκείνα των αντίστοιχων πειραματικών δοκιμών. Αυτό επιβεβαιώθηκε καταρχάς από τη μακροσκοπική σύγκριση μεταξύ της υπολογιστικής και της πειραματικής κατάρρευσης των sandwich κελυφών και ακολούθως από τη σύγκριση της υπολογιστικής καμπύλης φορτίου-μετατόπισης και των κύριων χαρακτηριστικών κατάρρευσης με τα αντίστοιχα της πειραματικής διαδικασίας. Η ικανοποιητική προσέγγιση των πειραματικών αποτελεσμάτων από τα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων - ιδιαίτερα όσον αφορά στον υπολογισμό των σημαντικών παραμέτρων του σχεδιασμού απορρόφησης ενέργειας των sandwich κατασκευών - καταδεικνύει ότι η μοντελοποίηση με πεπερασμένα στοιχεία μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά στην πρόβλεψη της συμπεριφοράς κατάρρευσης σύνθετων κατασκευών, μειώνοντας με αυτόν τον τρόπο τον αριθμό των αναμφίβολα αναγκαίων αλλά χρονοβόρων και κοστοβόρων πειραματικών δοκιμών.