Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχαν. (ΔΔ)

Browse

Recent Submissions

Now showing 1 - 5 of 254
  • Thumbnail Image
    Item
    Μελέτη των φυσικών μηχανισμών και παραμέτρων στο μικροχώρο αστικού δρόμου με έμφαση την εναλλαγή αερομεταφερομένων ρυπαντών με το εξωτερικό αστικό ατμοσφαιρικό πεδίο
    Καρκούλιας, Βασίλειος; Karkoulias, Vasilis
    Η ατμοσφαιρική ρύπανση στον αστικό θόλο αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα και η μελέτη της διασποράς των ρύπων στις πόλεις δεν είναι εύκολη. Η αλληλεπίδραση μεταξύ της ατμοσφαιρικής ροής και των αστικών εμποδίων όπως τα κτίρια δημιουργεί μια πολύπλοκη ροή στο δρόμο που επηρεάζει τη διασπορά των ρύπων. Στις οδικές χαράδρες με υψηλή κυκλοφορία αυτοκινήτων συγκεντρώνονται πολλοί ρύποι, οι οποίοι λόγω του χαμηλού αερισμού παγιδεύονται μεταξύ των κτιρίων και είναι άμεσα επικίνδυνοι για την υγεία των ανθρώπων που ζουν, περπατούν, εργάζονται ή οδηγούν σε αυτές, αλλά και έμμεσα επικίνδυνοι για ολόκληρη την πόλη, αφού αυτή αποτελείται από αλληλουχία οδικών χαραδρών. Αρκετές παράμετροι επηρεάζουν τη διασπορά των ρύπων στις οδικές χαράδρες, όπως η κατεύθυνση και η ταχύτητα του περιβάλλοντος ανέμου, η γεωμετρία του κτιρίου, ο λόγος επιμήκους της οδικής χαράδρας, η διαφορά θερμοκρασίας του αέρα του κτιρίου και άλλοι. Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η υπολογιστική διερεύνηση και ανάλυση της ροής και της διασποράς των αερομεταφερόμενων ρυπαντών και η σύγκριση με πεδιακές μετρήσεις μέσα σε μια αστική οδική χαράδρα (street canyon). Επιπλέον, μελετήθηκε η ροή του αέρα και των ρύπων σε αστικές οδικές χαράδρες για διάφορα σενάρια γεωμετρίας με διαφορετικούς λόγους επιμήκους και στοιχεία τραχύτητας στις επιφάνειες των κτιρίων. Μελετήθηκαν και αξιολογήθηκαν υπολογιστικά τα αποτελέσματα μίας σειράς δειγματοληψιών που έγιναν στο κέντρο της πόλης της Πάτρας, στο τμήμα της οδού Μαιζώνος, σε μία σχετικά βαθιά οδική χαράδρα (με λόγο επιμήκους h / w = 2,33) κατά την περίοδο μεταξύ 15 Νοεμβρίου 2004 και 28 Φεβρουαρίου 2005. Τα δείγματα των σωματιδίων αερολύματος συλλέχθηκαν σε διάφορα ύψη (z / h = 0,10, 0,57, 0,75 και 1,00) στην προσήνεμη πλευρά μιας πολυώροφης πολυκατοικίας και έγινε μια συνολική ανάλυση της μάζας και της σύνθεσής τους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ρητά ότι η συγκέντρωση μάζας των σωματιδίων αερολύματος και των περισσότερων ιχνοστοιχείων ήταν μεγαλύτερη στο επίπεδο του δρόμου και της οροφής σε σύγκριση με τα ενδιάμεσα επίπεδα της οδικής χαράδρας (δεδομένα του επιπέδου των 16 και 21 μέτρων). Έτσι, προέκυψε το συμπέρασμα ότι τα κατακόρυφα προφίλ των συγκεντρώσεων των ρυπαντών που σχετίζονται με την κυκλοφορία δεν ακολουθούν τη συνάρτηση της αναμενόμενης εκθετικής μείωσης. Μετά την αξιολόγηση του Fluent που έγινε με βάση τα δεδομένα της μελέτης σε αεροσήραγγα από τον R.N. Meroney et al., (1995), μελετήθηκε τόσο η αναφερόμενη ως πραγματική γεωμετρία (γεωμετρία στην οποία έγιναν οι μετρήσεις) όσο και άλλες γεωμετρίες με λόγο επιμήκους 1, 2 και 2,33 και με διαφορετικό αριθμό και θέση μπαλκονιών ως στοιχείων τραχύτητας στις προσόψεις των κτιρίων. Σκοπός ήταν η διερεύνηση της επίδρασης των μπαλκονιών στο ροϊκό πεδίο, στις παραμέτρους της ροής και στην διασπορά των ρυπαντών μέσα στην οδική χαράδρα. Τα αριθμητικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η τοπική ροή αέρα και η μεταφορά των ρύπων επηρεάστηκαν έντονα από τις δίνες που δημιουργήθηκαν από τα στοιχεία τραχύτητας της πρόσοψης (μπαλκόνια). Η έμφαση δόθηκε στον σχηματισμό (αριθμός, ισχύς και μέγεθος) των δινών στην κοιλότητα. Συμπεραίνεται ότι η κατακόρυφη κλίση των συγκεντρώσεων των σωματιδίων και ιχνοστοιχείων αερολύματος μπορεί να αποδοθεί σε αυτό το σύνθετο πεδίο ροής. Συμπερασματικά, η ανάλυση έδειξε την ανάγκη για πλέγματα υψηλής ανάλυσης κοντά στην πηγή πρωτογενών ρύπων στις αστικές περιοχές. Στην συνέχεια διερευνήθηκε η επίδραση και άλλων στοιχείων της χαράδρας όπως τα υπόστεγα και τα ρετιρέ που είναι χαρακτηριστικά των κέντρων των Ελληνικών πόλεων. Στις γεωμετρίες με λόγους επιμήκους h / w =1, 2 και 2,33 εκτός από τα μπαλκόνια, προστέθηκαν διαδοχικά υπόστεγα και ρετιρέ και μελετήθηκε η επίδρασή τους στη δομή του πεδίου ροής και του πεδίου συγκέντρωσης τόσο κοντά στις προσόψεις των κτιρίων όσο και στη κεντρική γραμμή της χαράδρας. Τα αριθμητικά αποτελέσματα κατέδειξαν σαφώς ότι τόσο το πεδίο ροής όσο και η κατανομή της συγκέντρωσης μάζας των σωματιδίων επηρεάζονται από την παρουσία των υπόστεγων και των ρετιρέ με τα πρώτα να δυσκολεύουν την διαφυγή του ρυπαντή από την χαράδρα. Τα αποτελέσματα των πεδιακών μετρήσεων επιβεβαιώθηκαν από την προσομοίωση που πραγματοποιήθηκε για την ίδια γεωμετρία της οδικής χαράδρας χρησιμοποιώντας το εμπορικό υπολογιστικό πακέτο ANSYS-FLUENT.
  • Thumbnail Image
    Item
    Control moment gyroscope singularity avoidance for agile spacecraft
    Παπακωνσταντίνου, Χαράλαμπος; Papakonstantinou, Charalampos
    Μετά την εκτόξευση του πρώτου τεχνητού δορυφόρου στις 4 Οκτωβρίου 1957 υπό την ηγεσία του, Ουκρανού μηχανικού πυραύλων, Σεργκέι Κορολιόφ, ακολούθησε η κατασκευή και εκτόξευση μιας πληθώρας δορυφόρων. Με την ανάπτυξη ενός τυ- ποποιημένου μοντέλου για την κατασκευή μικρών δορυφόρων το 1999, οι CubeSats έγιναν ευρέως διαδεδομένοι εξαιτίας του χαμηλού κόστους κατασκευής τους και της δυνατότητας τους να εκτελούν πολυάριθμες εργασίες. Σε μια εποχή που βασίζεται ολοένα και περισσότερο στα δεδομένα, όσο περισσότερα δεδομένα συλλέγει ένας δο- ρυφόρος σε συγκεκριμένο χρόνο, τόσο πιο χρήσιμος είναι. Η ζήτηση για ταχύτητα μεταφράζεται σε απαίτηση για την ανάπτυξη ενός συστήματος ικανού να παρέχει την επιθυμητή ευελιξία. Οι γυροσκοπικοί επενεργητές ελέγχου (ΓΕΕ) είναι γνωστοί ως ενεργοποιη- τές/επενεργητές υψηλής ροπής ενώ παράλληλα προσφέρουν μικρή μάζα, όγκο, και χαμηλή ισχύ. Το κύριο πρόβλημα των ΓΕΕ είναι αυτό των ενικοτήτων. Αυτή η δια- τριβή λαμβάνει υπόψιν το πρόβλημα των ενικοτήτων προτείνοντας νέες μεθόδους για την καθολική καθοδήγηση του συστήματος τεσσάρων ΓΕΕ σε διαμόρφωση πυραμί- δας. Αρχικά, παρουσιάζεται ένας αλγόριθμος βελτιστοποίησης με στόχο την εύρεση διαδρομών χωρίς ενικότητες, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές σχε- δόν πραγματικού χρόνου. Σε συνδυασμό με μια τεχνική μεταβλητής αναζήτησης, οι υπολογιστικές απαιτήσεις της προτεινόμενης μεθόδου μπορούν να προσαρμοστούν στις απαιτήσεις της επιθυμητής εφαρμογής. Η καθολική καθοδήγηση εξετάζεται στη συνέχεια από την προοπτική της Μηχανικής Μάθησης (ΜΜ). Σε σύγκριση με τις περισσότερες από τις τρέχουσες μεθόδους, αποδεικνύεται ότι η χρήση ενός συστή- ματος ΜΜ μπορεί να αλλάξει δραματικά τον έλεγχο των ΓΕΕ και τον χειρισμό των ενικοτήτων. Εκτός από τις μεθόδους που βασίζονται στο λογισμικό, περιγράφεται μια νέα προσέγγιση βασισμένη στο υλικό. Ένας καινοτόμος σχεδιασμός του συστήματος των τεσσάρων ΓΕΕ, που ονομάζεται περιστρεφόμενο σύστημα τεσσάρων ΓΕΕ, παρουσιά- ζεται μαζί με τον νόμο ελέγχου του και προσφέρει δυνατότητες παρόμοιες με αυτές του συστήματος τεσσάρων ΓΕΕ μεταβλητής ταχύτητας αλλά με χαμηλότερη ισχύ και πολυπλοκότητα. Τέλος, ένα εξαιρετικά μικρού μεγέθους σύστημα τεσσάρων ΓΕΕ σε διαμόρφωση πυραμίδας κατασκευασμένο από έτοιμα/εμπορικά εξαρτήματα όσο και ένα ρουλεμάν αέρα κατασκευασμένο αποκλειστικά από τρισδιάστατα εκτυπωμένα υλικά αποδεικνύουν ότι είναι εφικτή η κατασκευή μιας ιδιαίτερου χαμηλού κόστους και ελαφριάς πλατφόρμας για τη δοκιμή νάνο-ΓΕΕ.
  • Thumbnail Image
    Item
    Μελέτη φαινομένου θερμικής νησίδας, επίδραση στην ενεργειακή συμπεριφορά κτιρίων
    Γιαννόπουλος, Αθανάσιος; Giannopoulos, Athanasios
    Η αστική θερμική νησίδα (ΑΘΝ) είναι ίσως το πιο γνωστό αποτέλεσμα της επέμβασης του ανθρώπου στο κλίμα. Το φαινόμενο παρουσιάζεται όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος μέσα σε πυκνές αστικές περιοχές είναι μεγαλύτερη από αυτήν των περιχώρων τους. Έχει επίδραση στην κατανάλωση ενέργειας (ψηλότερες θερμοκρασίες μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας κατά τη διάρκεια του χειμώνα και την αυξάνουν το καλοκαίρι), εμφανίζεται σε κάθε μικρή ή μεγάλη πόλη και είναι η πιο έντονη ένδειξη της αστικοποίησης και της κλιματικής αλλαγής. Εκτός από τις οικονομικές επιπτώσεις, η ύπαρξη της ΑΘΝ προσδιορίζει τη θερμική άνεση των κατοίκων στις πόλεις, έχει επίδραση στην υγεία τους, στην εργασία τους και στις δραστηριότητες κατά τον ελεύθερο χρόνο τους. Οι βασικοί σκοποί της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι: α) η μελέτη του φαινομένου της ΑΘΝ στην πόλη της Πάτρας, β) η επίδρασή του στις ενεργειακές καταναλώσεις κτιρίων και γ) η εκτίμηση της ενεργειακής εξοικονόμησης που επιτυγχάνεται μετά από την εφαρμογή του νέου Κανονισμού ΕΝεργειακής Απόδοσης Κτιρίων (Κ.ΕΝ.Α.Κ.), σε αντικατάσταση του παλαιότερου Κανονισμού Θερμομόνωσης Κτιρίων (Κ.Θ.Κ.) Για τον σκοπό αυτό εγκαταστάθηκαν καταγραφικές συσκευές σε επιλεγμένες θέσεις στην πόλη και σε μια εξοχική περιοχή, που κατέγραφαν τις θερμοκρασίες του αέρα περιβάλλοντος σε ωριαία βάση, για το χρονικό διάστημα από 1/1/2018 έως 31/12/2018. Από τις καταγεγραμμένες θερμοκρασίες υπολογίστηκαν οι βαθμοημέρες θέρμανσης (HDD) και οι βαθμοημέρες ψύξης (CDD) καθώς και οι βαθμοώρες θέρμανσης (HDH) και οι βαθμοώρες ψύξης (CDH) για κάθε θέση. Χρησιμοποιώντας τα λογισμικά ENERGY PLUS και DESIGN BUILDER πραγματοποιήθηκαν εξομοιώσεις για τυπικό κτίριο θεωρώντας ότι είναι κατασκευασμένο σύμφωνα με τον Κανονισμό Θερμομόνωσης Κτιρίων (Κ.Θ.Κ), ως πρώτη περίπτωση και με τον Κανονισμό Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίου (Κ.ΕΝ.Α.Κ.), όπως τροποποιήθηκε το 2017, ως δεύτερη περίπτωση. Το κτίριο θεωρήθηκε ότι αποτελεί (α) τριώροφη πολυκατοικία και (β) μονώροφο ισόγειο κτίριο επί εδάφους. Για καθεμία από τις περιπτώσεις κτιρίων εξετάστηκαν οι ακόλουθες χρήσεις: (α1) τριώροφη πολυκατοικία κατοικιών, (α2) τριώροφη πολυκατοικία με κατάστημα στο ισόγειο και γραφεία στους δύο ορόφους, (α3) τριώροφη πολυκατοικία μικτής χρήσης με κατάστημα στο ισόγειο και κατοικίες στους δύο ορόφους, (β1) ισόγειο κατάστημα και (β2) ισόγεια κατοικία. Όλες οι παραπάνω περιπτώσεις καλύπτουν σε μεγάλο βαθμό το σύνολο των κτιριακών χρήσεων στην περιοχή της Πάτρας. Για την ανάλυση της ΑΘΝ της πόλης της Πάτρας, θεωρήθηκαν οι μήνες Ιούνιος, Ιούλιος, Αύγουστος και Σεπτέμβριος. Πραγματοποιήθηκε επεξεργασία των μετρήσεων για τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του αέρα περιβάλλοντος σε διαφορετικές χρονικές περιόδους του ημερήσιου 24ώρου κύκλου. Πιο αναλυτικά, εξετάστηκαν οι ακόλουθες κατανομές της θερμοκρασίας του αέρα α) μέσες μηνιαίες των μέσων ημερήσιων θερμοκρασιών (Τμέσο, 24) (ολόκληρου του 24ωρου), β) οι μέσες μηνιαίες ημέρας (07:00÷21:00) (Τμέσο, ημερ.) και νύκτας (22:00 – 06:00) (Τμέσο, νύκτα), γ) οι μέσες μηνιαίες μέγιστες (Τμέσο, μεγ.) και ελάχιστες (Τμέσο, ελαχ.). Εξήχθησαν οι αντίστοιχες χωρικές κατανομές των θερμοκρασιών και τα συμπεράσματα που προκύπτουν είναι τα ακόλουθα: - Εξετάζοντας τις μέσες θερμοκρασίες του αέρα περιβάλλοντος του 24ωρου ανά μήνα, εξάγεται ότι δεν υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ του κέντρου και των περιοχών πέριξ αυτού και για τους τέσσερις μήνες. - Η περιοχή πέριξ του κέντρου παρουσιάζει ελαφρά υψηλότερες μέσες μηνιαίες θερμοκρασίες ημέρας (Τμέσο, ημέρ.) (07:00÷21:00) από αυτές του κέντρου και για τους τέσσερις μήνες. - Εξετάζοντας τις μέσες μηνιαίες θερμοκρασίες (Τμέσο, νύκτα) για τις νυκτερινές ώρες (22:00 – 06:00), παρατηρείται ότι η περιοχή πέριξ του κέντρου της πόλης παρουσιάζει ελαφρά χαμηλότερες θερμοκρασίες από το κέντρο. - Εξετάζοντας τις μέσες ελάχιστες μηνιαίες θερμοκρασίες (Τμέσο, ελάχ.), η περιοχή πέριξ του κέντρου παρουσιάζει ελαφρά χαμηλότερες θερμοκρασίες συγκριτικά με το κέντρο. - Εξετάζοντας τις μέσες μέγιστες μηνιαίες θερμοκρασίες του αέρα περιβάλλοντος (Τμέσο,μέγ.) στην περιοχή πέριξ του κέντρου παρατηρείται μια μικρή τάση να αναπτυχθούν ελαφρά μεγαλύτερες θερμοκρασίες για όλους τους μήνες εκτός του Ιουνίου. - Η μέση μέγιστη ένταση (για όλους τους αστικούς σταθμούς) λαμβάνει την τιμή των 6°C. - Η ΑΘΝ στην Πάτρα μπορεί να χαρακτηριστεί ως μη έντονη. - Οι εγκάρσιες οδοί προς τη θάλασσα παρουσιάζουν χαμηλότερες ελάχιστες, μέγιστες και νυκτερινές θερμοκρασίες από τις διαμήκεις και για τους τέσσερις μήνες - Ως αποτέλεσμα του φαινομένου της ΑΘΝ, οι βαθμοημέρες θέρμανσης και ψύξης στην πόλη είναι κατά 19,20% λιγότερες και 9% περισσότερες από αυτές της εξοχικής περιοχής, αντίστοιχα. - Η ενέργεια που απαιτείται για ψύξη στην εξοχική περιοχή είναι μικρότερη από αυτήν που απαιτείται στην αστική, σε ποσοστό που κυμαίνεται από ~5% έως 7,55%. Η μείωση παρατηρείται και όταν τα κτίρια έχουν κατασκευαστεί σύμφωνα με τις απαιτήσεις του Κ.Θ.Κ. και όταν έχουν κατασκευαστεί σύμφωνα με τις απαιτήσεις του Κ.ΕΝ.Α.Κ. - Η εφαρμογή του Κ.ΕΝ.Α.Κ. σε αντικατάσταση του Κ.Θ.Κ. οδηγεί σε μείωση της καταναλισκόμενης ενέργειας για ψύξη σε όλους τους συνδυασμούς χρήσης κτιρίων και είναι μεγαλύτερη όταν χρησιμοποιούνται ως κατοικίες. Η μείωση κυμαίνεται από 19,73% έως 3,73% στην αστική περιοχή και από 19,66% έως 2,75% στην εξοχική περιοχή. - Η εφαρμογή του Κ.ΕΝ.Α.Κ. σε αντικατάσταση του Κ.Θ.Κ. οδηγεί σε μείωση της κατανάλωσης ενέργειας για θέρμανση σε όλους τους συνδυασμούς χρήσεων κτιρίου και είναι μεγαλύτερη για μη οικιστικές χρήσεις. Η μείωση κυμαίνεται από 54,90% έως 28,29% στην αστική περιοχή και από 47,97% έως 30,37% στην εξοχική περιοχή.
  • Thumbnail Image
    Item
    A layerwise spectral finite element method for the prediction of stresses and delamination crack growth in composite structures subjected to static and impact loading
    Σιορίκης, Δημήτριος; Siorikis, Dimitris
    A sophisticated numerical tool is developed for the prediction of delamination crack onset and propagation in sandwich and laminated composite structures under static and impact loading, which is capable of reducing numerical complexities involved in classical fracture mechanics approaches with substantially improved efficiency and computational savings. The proposed method incorporates: i) novel layerwise mechanics for the accurate prediction of the complex displacement and stress fields through the thickness of the laminate and across ply interfaces of highly heterogeneous composite structures in conjunction with ii) a multi-node spectral finite element model (SFE) with high-order spatial approximation in the plane of the structure and with integration points collocated with the nodes, leading to improved prediction of interlaminar stresses and fracture energy at the nodes, and at the same time yielding a consistent diagonal or nearly diagonal mass matrix, and (iii) inherent capability for the simulation of impact events through the combination of a fast explicit time-integration scheme and contact laws Initially, a newly developed cubic spline layerwise theory (CSLT) combined with a spectral finite element is presented for the fast and precise prediction of through the thickness stress fields at free edges, ply interfaces, resin-rich layers and artificial delaminations. The conducted validations revealed the capabilities and advantages of the present method over other competitive solid FEA based models in critical and highly demanding computational problems, establishing the present model as an attractive candidate for the analysis of delamination propagation problems. Within the framework of the finite element method in conjunction with fracture mechanics theory, the virtual crack closure technique (VCCT) and a cohesive zone model (CZM), the two most famous methods of delamination modelling, are implemented and elaborated. The previously established CSLT is further enriched with additional degrees of freedom (DoFs), representing the resultant discontinuities in the displacement field induced by the presence of delamination cracks, which allows the modelling of delamination crack onset and growth by simply activating the delamination degrees of freedom without FE remeshing. Strain energy release rate is predicted by adapting the VCCT method to rely exclusively on the damage DoFs. Finally, an iterative solution method is developed that takes advantage of the damaged DoFs to quickly predict the crack propagation without remeshing and the proposed numerical scheme is applied to mode I, II and mixed-mode static delamination fracture problems and is validated vs. reference literature solutions, experimental results and standard 2D plane-strain FE models. When a pre-crack exists and the fracture process zone is negligible compared to the specimen size, the VCCT is still a favorable candidate to predict delamination. However, the VCCT scheme suffers from several limitations, such as a-priori knowledge of the crack path, which is very restrictive for the modelling of impact-induced delamination in healthy structures, and the inability to model material softening present in ductile adherents and finite-thickness adhesive joints. In order to address the previous shortcomings of the VCCT approach a cohesive zone approach is also formulated. In this context, a variable kinematic layerwise theory is developed to reduce the numerical complexities involved in classical cohesive approaches, which employs cubic Hermite splines for the composite laminates and the core and linear interpolation functions for the thin resin-rich layers in connection with continuum damage mechanics for predicting and tracking the debonding propagation. The layerwise mechanics and continuum damage mechanics are integrated into a SFE for laminated composite strips, termed thereafter as cohesive-layerwise spectral finite element (CLW-SFE) and the developed computational model is applied to analyze global mode I, mode II, and mixed-mode fracture problems and is correlated with experimental results and reference high-fidelity finite element models for composite sandwich and laminated composite structures. Finally, the previous CLW-SFE is extended to enable the modelling of delamination growth in laminated and sandwich plates under impact loading. The variable kinematic layerwise strip theory is extended in three dimensions to address and explore the three-dimensional generated delamination footprints in laminated and sandwich plates and is subsequently integrated into a time-domain SFE combined with an explicit time integration scheme to model impact loading responses. Admissible contact laws for both rigid and deformable (hailstone) impactors are investigated numerically and experimentally to provide realistic and representative impact loads for laminated composite and sandwich plates. Green Lagrange non-linear strain terms are incorporated into the non-linear explicit impact dynamics to account for large displacements and rotations. The convergence, stability and accuracy of the proposed numerical framework are verified for the entire spectrum of the impact characterization diagram. Obtained results of the developed numerical code are correlated with experimental data and reported high-fidelity finite element models, demonstrating crucial enhancements in computational speed and meshing process due to elimination of cohesive layer parameter calibration, alleviation of finite element aspect ratio constraints, block-diagonal mass matrix and high-convergence rates.
  • Thumbnail Image
    Item
    Πρόβλεψη θερμομηχανικών ιδιοτήτων νανοσυνθέτων ενισχυμένων με γραφένιο μέσω υπολογιστικής ανάλυσης πολλαπλών κλιμάκων
    Τσιαμάκη, Ανδρονίκη; Tsiamaki, Androniki
    Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε μια αριθμητική μεθοδολογία ανάλυσης πολλαπλών κλιμάκων με σκοπό την εκτίμηση των θερμομηχανικών ιδιοτήτων νανοσυνθέτων πολυμερικής μήτρας ενισχυμένων με φύλλα γραφενίου. Στην ανάλυση που πραγματοποιήθηκε αναπτύχθηκαν μοντέλα με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων από τη νανοκλίμακα μέχρι τη μακροκλίμακα και ελήφθη υπόψη η επίδραση διαφόρων χαρακτηριστικών της γεωμετρίας, της δομής και της περιεκτικότητας της ενίσχυσης στο σύνθετο. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε ανάλυση της διακριτής δομής του γραφενίου με βάση τη θεωρία της μοριακής μηχανικής ώστε να εκτιμηθούν οι θερμομηχανικές του ιδιότητες. Αναπτύχθηκαν πρότυπα τόσο για μονοστρωματικό όσο και για πολύστρωτο φύλλο γραφενίου και πραγματοποιήθηκε στατική ανάλυση αλλά και ανάλυση ιδιομορφών με τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Στη συνέχεια, δημιουργήθηκε το συνεχές ισοδύναμό του πρότυπο το οποίο και χρησιμοποιήθηκε ως ενίσχυση στο αναπτυχθέν πρότυπο του νανοσυνθέτου κατά τη φάση της ανάλυσης μικροκλίμακας το οποίο αναπαριστάται από μια μοναδιαία κυψελίδα η οποία αποτελείται από το μητρικό υλικό, την ενίσχυση και την ενδιάμεση φάση. Η ενίσχυση είναι είτε μονοστρωματικού είτε πολυστρωματικού φύλλου γραφενίου προκειμένου να μελετηθεί και η περίπτωση του συσσωματώματος στο σύνθετο. Για κάθε περίπτωση υπολογίστηκαν οι θερμοκρασιακά εξαρτώμενες μηχανικές ιδιότητες της μοναδιαίας κυψελίδας και ο συντελεστής θερμικής διαστολής. Επιπλέον, εξετάστηκε η μεταβίβαση τάσεων ανάμεσα στα δύο υλικά και υπολογίστηκαν οι θερμικές τάσεις που αναπτύσσονται ανάμεσά τους. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε διερεύνηση της επίδρασης της γωνίας κλίσης της ενίσχυσης στη διεύθυνση της φόρτισης. Και σε αυτή την περίπτωση εκτιμήθηκαν οι μηχανικές ιδιότητες και ο συντελεστής θερμικής διαστολής για μεταβολή της θερμοκρασίας. Τόσο η γωνία κλίσης όσο και η αύξηση του αριθμού των στρώσεων του φύλλου γραφενίου επηρεάζουν σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες και κυρίως το μέτρο ελαστικότητας αλλά και το συντελεστή θερμικής διαστολής επιδρώντας αρνητικά όταν η γωνία κλίσης και ο αριθμός των στρώσεων της ενίσχυσης αυξάνεται. Η μελέτη που έγινε σε αυτό το στάδιο είχε ως σκοπό τη διερεύνηση της επίδρασης κάποιων παραμέτρων στη μοναδιαία κυψελίδα αλλά κυρίως τη λήψη αποτελεσμάτων που θα χρησιμοποιηθούν στην επόμενη και τελευταία ανάλυση που αποτελεί το βασικό στόχο της διατριβής. Στο τελευταίο στάδιο, αναπτύχθηκε ένα πρότυπο για το αντιπροσωπευτικό στοιχείο όγκου του νανοσυνθέτου το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση των θερμομηχανικών ιδιοτήτων του συνθέτου υλικού γραφενίου/πολυμερούς και για την οποία ελήφθησαν υπόψη ο αριθμός των στρώσεων των φύλλων γραφενίου και ο προσανατολισμός τους μέσα στο σύνθετο για μια συγκεκριμένη περιεκτικότητα της ενίσχυσης. Η μεθοδολογία ανάλυσης πολλαπλών κλιμάκων που αναπτύχθηκε χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση του μέτρου ελαστικότητας, του μέτρου διάτμησης, του λόγου Poisson και του συντελεστή θερμικής διαστολής σύνθετου υλικού πολυμερικής μήτρας με ενίσχυση γραφενίου. Πιο ειδικά, ως μήτρα επιλέχθηκε ένα πολυμερές το οποίο χρησιμοποιείται σε διάφορες εφαρμογές και είναι ο πολυμεθακρυλικός μεθυλεστέρας (PMMA). Προκειμένου να διαπιστωθεί η εγκυρότητα των αριθμητικών προτύπων πραγματοποιήθηκαν συγκρίσεις με διαθέσιμα δεδομένα από τη βιβλιογραφία σε κάθε κλίμακα ανάλυσης. Σύμφωνα με τη μεθοδολογία που παρουσιάζεται φαίνεται η επίδραση της θερμοκρασίας στις ιδιότητες του συνθέτου γραφένιο/ΡΜΜΑ. Το μέτρο ελαστικότητας και το μέτρο διάτμησης του συνθέτου μειώνονται με αύξηση της θερμοκρασίας αλλά είναι υψηλότερες από αυτές του ΡΜΜΑ. Ο λόγος Poisson του συνθέτου δε μεταβάλλεται ιδιαίτερα με τη μεταβολή της θερμοκρασίας, ενώ ο συντελεστής θερμικής διαστολής μειώνεται. Η αναπτυχθείσα προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προτυποποίηση οποιασδήποτε γεωμετρίας και για οποιοδήποτε συνδυασμό υλικών. Η θεώρηση της τυχαίας κατανομής της ενίσχυσης αποδεικνύεται ικανοποιητική για την προτυποποίηση δομών σύνθετου υλικού και όσο πιο πολλές πληροφορίες εισάγονται σχετικά με την παρασκευή του υλικού, τόσο πιο αποτελεσματικό θα είναι το πρότυπο που θα αναπτυχθεί. Το βασικό συμπέρασμα αυτής της διατριβής είναι πως η αναπτυχθείσα αριθμητική μεθοδολογία μπορεί να εκτιμήσει την εξάρτηση των θερμομηχανικών ιδιοτήτων πολυμερών ενισχυμένων με γραφένιο υπό την επίδραση διαφόρων παραμέτρων και μπορεί να χρησιμεύσει ως ένα αξιόπιστο και ευέλικτο πρωταρχικό σχεδιαστικό εργαλείο κατά την παρασκευή νανοσύνθετων υλικών.