Analysis and design of composite material driveshafts for marine applications

Abstract

Composite materials are increasingly becoming the materials of choice for a large number of products and applications, due to the exceptionally high strength to weight ratio they offer. Aviation, automotive and marine industries are increasing their investments in the study and development of composite materials and structures, in order to use them more extensively in various applications of their respective fields, aiming to save weight and increase energy efficiency. The use of composite materials for the manufacturing of power transmission driveshafts attracts particular interest. Especially for the marine sector, apart from their high strength and light weight, composite shafts offer the advantages of high fatigue and corrosion resistance. However, the efficient design of composite driveshafts is a challenging task, because of the complex mechanical behaviour and failure modes and mechanisms of composite materials, due to their anisotropic nature. This work deals with the analysis and design of composite material driveshafts for marine applications and beyond, with an eye towards the development of their structural digital twins. The study begins with the vital identification of the physical and mechanical properties of the composite materials produced by the filament winding method, which is used in the manufacturing of composite material driveshafts, highlighting their differences to the common laminated composites. Then, the split disk test, used for the measurement of the elastic modulus and strength of the materials in the fiber/hoop direction, is utilized as a reference case study for the development and validation of the Finite Element Model of filament wound structures. Having identified the mechanical properties of the filament wound composite materials and validated the split disk test finite element model against the experimental results, the foundations for the finite element analysis of composite material driveshafts are laid. The various modelling options are investigated and the predictions of the model regarding the failure load and mode and the calculated deformations, strains and stresses on the driveshaft are assessed. The sensitivity of the model on critical mechanical properties and geometric parameters is also investigated and the behaviour of the driveshafts close to the failure load is approximated by a progressive damage analysis. Based on the developed model for the analysis of composite driveshafts, the optimal layup of a marine driveshaft is defined using optimization algorithms and having as criteria the maximization of the buckling load and the minimization of the weight. The optimum layup driveshaft is analysed both statically and dynamically, according to the specifications of the application. The testing and structural health monitoring methods of composite driveshafts are then investigated and an experimental testing campaign is planned, in order to capture their mechanical response and validate and refine the Finite Element Models. Static torsional tests for defining the failure load and failure mode of several shafts were conducted in NTUA, BT Composites and TU Dresden. The strains on the shafts are measured by strain gages in all tests and by a digital image correlation system as well in TU Dresden. Additionally, a first attempt to measure the applied torque on composite driveshafts with a telemetry system is also made with promising results. In TU Dresden, apart from the torsional tests, an experimental modal analysis of the driveshafts was conducted and 3D scans and CT scans were also performed on the shafts before, during and after the torsional tests, in order to investigate any internal changes in the material. Additionally, four CFRP driveshafts with embedded optical fibers were manufactured in the facilities of TU Dresden and the preliminary work and the manufacturing process are described in detail. Some discrepancies between the numerical and experimental results led to an uncertainty quantification study on the mechanical response of the composite driveshafts, considering the uncertainty in the mechanical properties, winding angle and thickness. This study indicated which of the tested driveshafts differed significantly from their nominal specifications and led to the creation of a fast tool for the initial prediction of the expected mechanical response range of composite driveshafts. The connection between the composite shafts and their steel flanges is also studied and a model considering the cohesive zone is built to assess whether the connection can withstand the applied torque. Utilizing the knowledge obtained, a preliminary study about the replacement of a ship’s steel intermediate shaft with a CFRP one is performed. Summing up, the present PhD thesis provides in depth knowledge about the analysis, design and testing of composite material driveshafts for marine applications and beyond and can act as a guide for their optimal structural design, testing and health monitoring, building the foundations of their structural digital twins.

Tα σύνθετα υλικά επιλέγονται όλο και περισσότερο ως υλικά κατασκευής διάφορων προϊόντων και εφαρμογών, λόγω της εξαιρετικά υψηλής αναλογίας αντοχής προς βάρος που διαθέτουν. Η αεροπορική βιομηχανία, η αυτοκινητοβιομηχανία και η ναυπηγική βιομηχανία αυξάνουν τις επενδύσεις τους στη μελέτη και την ανάπτυξη σύνθετων υλικών και κατασκευών, προκειμένου να τα αξιοποιήσουν εκτενέστερα στις διάφορες εφαρμογές των κλάδων τους, με στόχο την εξοικονόμηση βάρους και την αύξηση της ενεργειακής τους απόδοσης. Η χρήση σύνθετων υλικών για την κατασκευή αξόνων μετάδοσης ισχύεις παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Ιδιαίτερα για τον τομέα της ναυπηγικής και ναυτιλίας, εκτός από την υψηλή αντοχή και το μικρό βάρος τους, οι άξονες από σύνθετα υλικά προσφέρουν τα πλεονεκτήματα της υψηλής αντοχής σε κόπωση και διάβρωση. Ωστόσο, ο αποτελεσματικός σχεδιασμός των αξόνων από σύνθετα υλικά είναι ένα δύσκολο έργο, λόγω της πολύπλοκης μηχανικής συμπεριφοράς και των πολύπλοκων τρόπων και μηχανισμών αστοχίας των σύνθετων υλικών, που οφείλονται στην ανισοτροπική τους φύση. Η παρούσα εργασία καταπιάνεται με την ανάλυση και τον σχεδιασμό αξόνων από σύνθετα υλικά για θαλάσσιες εφαρμογές και όχι μόνο, με απώτερο στόχο την υποστήριξη της ανάπτυξης των δομικών ψηφιακών τους διδύμων. Η μελέτη ξεκινά με τον ζωτικής σημασίας προσδιορισμό των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων των σύνθετων υλικών που κατασκευάζονται με την μέθοδο περιέλιξης ινών, η οποία χρησιμοποιείται για την κατασκευή των αξόνων από σύνθετα υλικά, αναδεικνύοντας τις διαφορές τους σε σχέση με τα συνήθη πολύστρωτα σύνθετα υλικά. Στη συνέχεια, η δοκιμή διαιρούμενου δίσκου, που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του μέτρου ελαστικότητας και της αντοχής αυτών των υλικών στη διεύθυνση των ινών ή στην περιφερειακή διεύθυνση, αξιοποιείται ως βάση για την ανάπτυξη και επαλήθευση του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων δομών κατασκευασμένων με την μέθοδο περιέλιξης ινών. Γνωρίζοντας πλέον τις μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών κατασκευασμένων με περιέλιξη ινών και έχοντας επαληθεύσει το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων της δοκιμής διαιρούμενου δίσκου έναντι των αντίστοιχων πειραματικών αποτελεσμάτων, τίθενται οι βάσεις για την ανάλυση των αξόνων μετάδοσης ισχύος από σύνθετα υλικά με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Διερευνώνται οι διάφορες επιλογές μοντελοποίησης και αξιολογούνται οι προβλέψεις του μοντέλου για το φορτίο και τον τρόπο αστοχίας και τις υπολογιζόμενες παραμορφώσεις και τάσεις στον άξονα. Διερευνάται, επίσης, η ευαισθησία του μοντέλου σε κρίσιμες μηχανικές ιδιότητες και γεωμετρικές παραμέτρους και προσεγγίζεται η συμπεριφορά των αξόνων κοντά στο φορτίο αστοχίας με ανάλυση σταδιακής αστοχίας. Με βάση το μοντέλο που αναπτύχθηκε για την ανάλυση αξόνων από σύνθετα υλικά, προσδιορίζεται η βέλτιστη αλληλουχία στρώσεων ενός άξονα για ναυπηγική εφαρμογή αξιοποιώντας αλγορίθμους βελτιστοποίησης με κριτήριο τη μεγιστοποίηση του φορτίου λυγισμού και την ελαχιστοποίηση του βάρους. Ο άξονας με τη βέλτιστη αλληλουχία στρώσεων αναλύεται τόσο στατικά όσο και δυναμικά, σύμφωνα με τις προδιαγραφές της εφαρμογής. Στη συνέχεια, διερευνώνται οι μέθοδοι δοκιμών και παρακολούθησης της δομικής κατάστασης των σύνθετων αξόνων και σχεδιάζεται μια εκστρατεία πειραματικών δοκιμών, προκειμένου να καταγραφεί η μηχανική τους συμπεριφορά και να επαληθευθούν και να βελτιωθούν τα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων. Για τον καθορισμό του φορτίου αστοχίας και του τρόπου αστοχίας διαφόρων αξόνων διεξάγονται στατικές δοκιμές στρέψης στο ΕΜΠ, στην BT Composites και στο Πολυτεχνείο της Δρέσδης. Οι παραμορφώσεις στους άξονες μετρούνται με επιμηκυνσιόμετρα (strain gauges) σε όλες τις δοκιμές και επιπρόσθετα με σύστημα ψηφιακής συσχέτισης εικόνας (DIC) στο Πολυτεχνείο της Δρέσδης. Επιπλέον, γίνεται μια πρώτη προσπάθεια μέτρησης της εφαρμοζόμενης ροπής σε άξονες από σύνθετα υλικά με ένα σύστημα τηλεμετρίας με πολύ θετικά αποτελέσματα. Στο Πολυτεχνείο της Δρέσδης, εκτός από τις δοκιμές στρέψης, διεξήχθη πειραματική ανάλυση ιδιοτιμών των αξόνων και πραγματοποιήθηκαν, επίσης, τρισδιάστατες σαρώσεις και αξονικές τομογραφίες στους άξονες πριν, κατά τη διάρκεια και μετά τις δοκιμές στρέψης, προκειμένου να διερευνηθούν τυχόν εσωτερικές αλλαγές στο υλικό. Επιπλέον, κατασκευάστηκαν τέσσερις άξονες από ανθρακόνημα με ενσωματωμένες οπτικές ίνες στις εγκαταστάσεις του Πολυτεχνείου της Δρέσδης και οι προκαταρκτικές εργασίες και η διαδικασία κατασκευής τους περιγράφονται λεπτομερώς. Ορισμένες αποκλίσεις μεταξύ των αριθμητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων οδήγησαν στην μελέτη ποσοτικοποίησης της αβεβαιότητας στη μηχανική απόκριση των αξόνων από σύνθετα υλικά, λαμβάνοντας υπόψη την αβεβαιότητα στις μηχανικές ιδιότητες, τη γωνία περιέλιξης και το πάχος τους. Η μελέτη αυτή έδειξε ποιοι από τους άξονες που δοκιμάστηκαν διέφεραν σημαντικά από τις ονομαστικές προδιαγραφές τους και οδήγησε στη δημιουργία ενός γρήγορου εργαλείου για την αρχική πρόβλεψη του αναμενόμενου εύρους της μηχανικής απόκρισης των σύνθετων αξόνων. Μελετήθηκε, επίσης, η σύνδεση μεταξύ των σύνθετων αξόνων και των χαλύβδινων φλαντζών τους και δημιουργήθηκε ένα μοντέλο, που λαμβάνει υπόψη τη συνεκτική ζώνη (cohesive zone), για να εκτιμηθεί εάν η σύνδεση μπορεί να αντέξει την εφαρμοζόμενη ροπή. Αξιοποιώντας τις γνώσεις που αποκτήθηκαν, πραγματοποιείται μια προκαταρκτική μελέτη αντικατάστασης του χαλύβδινου ενδιάμεσου άξονα ενός πλοίου με έναν άξονα από CFRP. Συνοψίζοντας, η παρούσα διδακτορική διατριβή παρέχει εις βάθος γνώσεις σχετικά με την ανάλυση, τον σχεδιασμό και τις δοκιμές των αξόνων από σύνθετα υλικά και μπορεί να αποτελέσει οδηγό για τον βέλτιστο κατασκευαστικό τους σχεδιασμό, τις δοκιμές και την παρακολούθηση της υγείας τους, χτίζοντας τα θεμέλια των δομικών ψηφιακών τους διδύμων.