Αριθμητική προσομοίωση διάρρηξης δεσμού πρόσφυσης σε ανομοιογενή υλικά

Abstract

The increasing demands for the development of improved and intelligent constructions, that will meet the desired reliability and functional standards, have led to new materials of higher strength/weight ratio comparing to those of the traditional materials. The present work is focused on the study -through simulation- of phenomena related to material failures and specifically to adhesion bond breaking of inhomogeneous materials. Through the introduction of representative reference volumes describing the repetitiveness of geometry, a realistic simulation can be evaluated, in which fibers packing dimensions and volumetric composition are the independent parameters. The areas of stress and strain accumulation, as well as their dependence on the problem independent variables (as weak interphase, imperfect adhesion etc), are discussed. The debonding along interphase and fiber fragmentation are simulated, while the reaction mechanism of a broken fiber near it is analysed. The materials under study include short and long reinforcements, while presenting inhomogenities among reinforcements and fibers (interphase area). Fibers packing demand the use of a representative volume element, which is consisted of two or more homogeneous phases, separated by interfaces. Those interfaces are inhomogeneous interphase layers, whose properties vary with their thickness. The validity of the proposed simulation method is established through the accuracy, the repetitiveness and the convergence of its results. The innovations of this work are the following: For the first time, a study of the interphase and imperfect adhesion affection to the side debonding of fiber composite materials with FEA takes place. A parametric model is developed, contributing to the realistic solution of this kind of problems. For the first time, the development of hybrid interphase and its introduction to FEA analysis, take place. For the first time, the simulation of fiber fragmentation and the use of interphase elements, to this analysis, take place. Realistic simulation is improved, as well as the result process through modern computation tools. This general model for the prediction and the failure analysis of bonds breaking can be applied to other kinds of failure problems as well, for future research.

Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις για στιβαρότερες και ελαφρύτερες κατασκευές οδήγησαν στην ανάπτυξη νέων υλικών. Η αύξηση της αντοχής με την ταυτόχρονη μείωση του βάρους έχουν σαν συνέπεια τη μείωση του κόστους, όχι όμως εναντίον της αξιοπιστίας και λειτουργικότητας. Τα νέα υλικά έχουν υψηλότερες τιμές του λόγου αντοχής/βάρος σε σύγκριση με εκείνες των συμβατικών υλικών. Σαν αποτέλεσμα, χρησιμοποιούνται στη δημιουργία προηγμένων και ευφυών κατασκευών, οι οποίες ανταποκρίνονται στα πρότυπα αξιοπιστίας και λειτουργικότητας για τα οποία έχουν σχεδιαστεί. Το πεδίο εφαρμογής των προηγμένων υλικών εκτείνεται σε ένα ευρύ φάσμα κατασκευών, όπως στη βιομηχανία των αυτοκινήτων, στην αεροδιαστημική, καθώς και σε μια πληθώρα προϊόντων καθημερινής χρήσης. Η ανά χείρας διατριβή ασχολείται με την προσομοίωση και τη μελέτη των φαινομένων που σχετίζονται με τις αστοχίες και ειδικότερα με τις διαδικασίες διάρρηξης δεσμού πρόσφυσης σε υλικά με ανομοιογένειες, που κατά κύριο λόγο είναι σύνθετα υλικά. Με την εισαγωγή αντιπροσωπευτικών όγκων αναφοράς που περιγράφουν την επαναληψιμότητα της γεωμετρίας, είναι δυνατόν να επιτευχθεί μια αντικειμενική προσομοίωση, με ανεξάρτητες μεταβλητές τη διάταξη των ενισχύσεων και την κατ’ όγκο περιεκτικότητα. Διερευνώνται οι εστίες συγκέντρωσης τάσεων και παραμορφώσεων, καθώς και η αλληλεξάρτησή τους από τις ανεξάρτητες μεταβλητές του προβλήματος, όπως μεταξύ άλλων είναι η παρουσία ενδιάμεσης φάσης, η ατελής πρόσφυση κλπ. Προσομοιώνεται η αποκόλληση κατά μήκος της ενδιάμεσης φάσης, ο θρυμματισμός των ινών και αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο αλληλεπιδρά μια θραυσμένη ίνα στις ΠΡΟΛΟΓΟΣ iii γειτονικές της. Οι προσομοιώσεις και οι αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν, αφορούν υλικά τα οποία έχουν εκτεταμένες ή συγκεντρωμένες ενισχύσεις και χαρακτηρίζονται από ανομοιογένειες στην περιοχή μεταξύ των ενισχύσεων και της μήτρας. Το ένα υλικό διακρίνεται από το άλλο και κατά συνέπεια η μία φάση από την άλλη, διαμέσου της διεπιφάνειας. Η τυχαία ή συστηματική διάταξη των ενισχύσεων επιβάλλει την υιοθέτηση ενός αντιπροσωπευτικού στοιχείου όγκου, το οποίο να περιλαμβάνει δύο ή και περισσότερες ομογενείς φάσεις, που διαχωρίζονται μεταξύ τους με διεπιφάνειες, οι οποίες δεν είναι τίποτα περισσότερο από ανομοιογενείς στρώσεις ενδιάμεσων φάσεων, των οποίων οι ιδιότητες μεταβάλλονται κατά την έννοια του πάχους αυτών. Οι αστοχίες υλικών όπως τα παραπάνω αποτελούν δημοφιλέστατο αντικείμενο μελέτης εξαιτίας των ιδιαίτερα καταστροφικών τους αποτελεσμάτων. Η μείωση ή και η ολοκληρωτική απώλεια της ικανότητάς του να επιτελούν το σκοπό για τον οποίο σχεδιάστηκαν, μειώνουν την αξιοπιστία τους και οδηγούν σε απροσδόκητες αστοχίες με ολέθριες συνέπειες σε ότι αφορά την ασφάλεια, τη λειτουργικότητα και το κόστος του εξοπλισμού. Η κύρια αιτία που οδηγεί σε αστοχία ένα υλικό (εκτός από τη φθορά και τη διάβρωση) είναι η παραμόρφωση, με την οποία εννοούμε τη μεταβολή στο σχήμα ενός υλικού και αφορά κυρίως τις μηχανικές αστοχίες, οι οποίες είναι και το αντικείμενο μελέτης αυτής της διατριβής. Η παραμόρφωση ως επί το πλείστον οφείλεται σε εξωτερικά φορτία και μπορεί να είναι ελαστική ή πλαστική. Η τελευταία είναι δυνατόν να οδηγήσει σε θραύση. Ένα νέο είδος μηχανικής αστοχίας είναι η αποκόλληση, η οποία εμφανίζεται στις διεπιφάνειες των προηγμένων υλικών. Σαν αποτέλεσμα, όταν τα υλικά αυτά βρεθούν κάτω από κρίσιμο συνδυασμό εντατικών καταστάσεων να εγείρεται η διάρρηξη του δεσμού πρόσφυσής και κατά συνέπεια να αποτελούν εστίες εκκίνησης ρωγμών. Όλοι οι παραπάνω λόγοι επέβαλλαν τη μελέτη της αριθμητικής προσομοίωσης διάρρηξης δεσμού πρόσφυσης σε ανομοιογενή υλικά, καταλαβαίνοντας τη σημαντικότατη συμβολή που θα έχουν τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που θα προκύψουν από αυτή. Αρχικά ο αναγνώστης, στο πρώτο κεφάλαιο, έρχεται σε μια πρώτη επαφή με τα σύνθετα υλικά, τα χαρακτηριστικά τους, τις αστοχίες που εκδηλώνονται σε αυτά, τον τρόπο με τον οποίο θεωρούνται από απλά ολιγοφασικά σε πολυφασικά υλικά, ενώ εισάγεται η έννοια της ενδιάμεσης φάσης, παρουσιάζονται οι ιδιότητες της και εν συνεχεία γίνεται μια σύντομη βιβλιογραφική ανασκόπηση. Έπειτα περιγράφεται το αντικείμενο των κεφαλαίων της παρούσας διατριβής. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναπτύσσεται η μοντελοποίηση των iv φάσεων των σύνθετων υλικών και παρουσιάζονται τα διάφορα μοντέλα της ενδιάμεσης φάσης. Στο τρίτο κεφάλαιο επεξηγείτε ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται η τμηματική ομοιογένεια της ενδιάμεσης φάσης, πραγματοποιείται ο αντικειμενικός ορισμός του μοντέλου, εφαρμόζεται μια ημιαναλυτική διαδικασία προσέγγισης της ανομοιογένειας της ενδιάμεσης φάσης και περιγράφονται τα λεγόμενα διεπιφανειακά στοιχεία, που χρησιμεύουν στην εκκίνηση της διάρρηξης του δεσμού πρόσφυσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται επιλεκτικά αποτελέσματα που ελήφθησαν από τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν, ενώ τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο παραθέτονται τα συνολικά συμπεράσματα αυτής της προσπάθειας και οι προοπτικές που διανοίγονται από αυτήν.