Αριθμητική προσομοίωση της ανίχνευσης βλάβης λόγω κόπωσης σε πολύστρωτες πλάκες μέσω της μοντελοποίησης σημάτων στοχαστικής ταλάντωσης
Loading...
Date
Authors
Τσιβουράκη, Νίκη
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η αριθμητική προσομοίωση της απόκρισης δοκιμίων από πολύστρωτα σύνθετα υλικά με βλάβη κόπωσης υποβαλλόμενα σε τυχαία ταλάντωση μέσω λευκού θορύβου. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε με χρήση του υπολογιστικού πακέτου πεπερασμένων στοιχείων Ansys 15.0. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε αναπαριστά πειραματική διαδικασία η οποία υλοποιήθηκε από κοινού από τα Εργαστήρια Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών και Στοχαστικών Σημάτων και Αυτοματισμού κατά την οποία δοκιμές διακοπτόμενης κόπωσης συνδυάστηκαν με δοκιμές ακουστικών υπερήχων C-scan με δοκιμές λευκού θορύβου.
Οι διαστάσεις των δοκιμίων είναι 250 mm x 25 mm x 3.78 mm και η διαστρωμάτωση τους είναι [±45/90/02/90/±45/0/90]S. Μοντελοποιήθηκαν 24 δοκίμια, ένα υγιές και 23 με βλάβη. Οι συνοριακές συνθήκες που μοντελοποιήθηκαν είναι απλή ανάρτηση του δοκιμίου. Ο λευκός θόρυβος μοντελοποιήθηκε μέσω εισαγωγής κανονικοποιημένης τυχαίας ακολουθίας αριθμών προσαρμοζόμενη στο εύρος των ιδιοσυχνοτήτων της ελεύθερης ταλάντωσης.
Η βλάβη κόπωσης μοντελοποιήθηκε με βάση την ανάλυση των εικόνων C-scan και την υποβάθμιση στο μοντέλο των κατάλληλων ελαστικών ιδιοτήτων των στρώσεων σε συγκεκριμένες ομάδες στοιχείων. Οι βλάβες διαφέρουν μεταξύ τους σε γεωμετρία, μέγεθος αλλά και τύπο. Οι βλάβες που μοντελοποιήθηκαν είναι η εκτεταμένη αστοχία της μήτρας και η διαστρωματική αποκόλληση.
Τα αποτελέσματα που εξήχθησαν είναι PSD (Power Spectral Density – Πυκνότητα Φάσματος Ισχύος) διαγράμματα, από τα οποία προκύπτουν οι φυσικές συχνότητες των δοκιμίων με τις οποίες ταλαντώνονται. Οι κορυφές είναι οι ιδιοσυχνότητες και οποιαδήποτε μεταβολή τους συσχετίζεται με ύπαρξη βλάβης. Πριν χρησιμοποιηθεί το μοντέλο για συγκρίσεις έγινε επαλήθευση του αριθμητικού υγιούς με τα πειραματικά αποτελέσματα από το αντίστοιχο υγιές. Από αυτήν την σύγκριση προέκυψε ότι η μέγιστη απόκλιση μεταξύ των τιμών ιδιοσυχνότητων ήταν 7%. Στην συνέχεια έγιναν και οι συγκρίσεις του αριθμητικού μοντέλου του υγιούς δοκιμίου με τις επιμέρους βλάβες. Για να επιτευχθεί σύγκριση στο ίδιο εύρος τιμών χρειάστηκαν μείωση βήματος πειραματικών τιμών από 0.5 Hz σε 1 Hz και λογαρίθμηση των τιμών.
Από τα αριθμητικά αποτελέσματα παρατηρείται μεταβολή των ταλαντωτικών αποκρίσεων ακόμα και με την παρουσία μικρής βλάβης. Επιβεβαιώνεται κατά αυτόν τον τρόπο και η αυξημένη ευαισθησία της μεθόδου. Σε περιπτώσεις που υπάρχει συσσώρευση βλαβών σημειώνεται πτώση των φυσικών συχνοτήτων. Επίσης αποδείχθηκε ότι η εκτενής αστοχία στην μήτρα (υποβάθμιση στην εγκάρσια διεύθυνση) οδηγεί σε ισοδύναμη μεταβολή ταλαντωτικών αποκρίσεων με διαστρωματική αποκόλληση στην κατακόρυφη διεύθυνση. Η δεύτερη θεωρείται η πιο συχνή μορφή αστοχίας στα πολύστρωτα υλικά, ενώ η πρώτη απλά αναφέρεται ως πιθανή αστοχία. Τέλος η πυκνότερη διακριτοποίηση έδειξε σημαντική επίδραση στα μοντέλα με τις βλάβες.
Description
Keywords
Σύνθετα υλικά, Διαστρωματική αποκόλληση, Πεπερασμένα στοιχεία, Λευκός θόρυβος, PSD διάγραμμα