Ανάλυση Κύρτωσης Πλακών από Σύνθετα Υλικά με τη Μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων             

Μεταπτυχιακός Φοιτητής : Γολοβάνης Μιχαήλ, Πάλλας Βασίλειος                                   
Επιβλέπων Καθηγητής: Ιωαννίδης Γ., Αν. Καθηγητής       
Ημερομηνία : Οκτώβριος 2002

Με την εργασία αυτή επιχειρήθηκε ο υπολογισμός του κρίσιμου φορτίου κύρτωσης πλακών από σύνθετα υλικά με τη βοήθεια προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων. Η ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία γίνεται με τη βοήθεια του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων MSC Nastran.  

Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται μια αναφορά στα σύνθετα υλικά γενικότερα, δηλαδή περιγράφουμε τις χρήσεις τους, την μηχανική τους συμπεριφορά και παραθέτουμε τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης. Επίσης παραθέτουμε τις κατηγορίες των σύνθετων υλικών με βάση το συνδετικό υλικό και τη μορφή των ινών τους. 

Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η θεωρητική ανάλυση της κάμψης πλακών από σύνθετα υλικά, η διαδικασία εξαγωγής των μητρώων ακαμψίας και καμπυλοτήτων των σύνθετων υλικών, καθώς η θεωρία του λυγισμού πλακών από ισότροπο και σύνθετο υλικό. Ακόμα παρουσιάζεται ο τρόπος διαστρωμάτωσης των σύνθετων υλικών και η ονοματολογία τους ανάλογα με την κατεύθυνση των ινών, το συνδετικό υλικό, το πάχος κ.τ.λ. 

Στο τρίτο κεφάλαιο επιχειρείται μια συνοπτική παρουσίαση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων εστιάζοντας όμως κυρίως στα στοιχεία πλακός, τα οποία και μας ενδιαφέρουν ειδικότερα. Παρουσιάζονται τα ορθογωνικά στοιχεία πλάκας, τα οποία χρησιμοποιούνται στην συνέχεια μέσω του προγράμματος πεπερασμένων MSC Nastran για την προσομοίωση των μοντέλων μας. 

Στο τέταρτο κεφάλαιο προσπαθούμε να δώσουμε μια γενική εικόνα του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων MSC Nastran, ώστε να δείξουμε την πορεία που ακολουθούμε στα επόμενα κεφάλαια για την κατασκευή και επίλυση των μοντέλων μας. Περιγράφουμε, δηλαδή, τα βήματα με τα οποία κατασκευάζουμε ορθογωνικές πλάκες με συγκεκριμένο πάχος, ιδιότητες και υλικά, καθώς και τον τρόπο φόρτισης και επίλυσης των μοντέλων.

Στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζουμε την περίπτωση χαρακτηριστικών ορθογωνικών πλακών με μεταβλητό λόγο πλευρών a/b, οι οποίες λυγίζουν υπό την επίδραση κατανεμημένου φορτίου και αντιστοιχούν σε μια μικρή περιοχή θλιβόμενου πέλματος δοκού. Η ανάλυση γίνεται με τη βοήθεια του προγράμματος που αναφέραμε προηγουμένως και ο φορέας προσομοιώνεται με πεπερασμένα στοιχεία πλάκας (laminate elements). Σε κάθε μοντέλο παρατίθεται στατική ανάλυση, όπου κρίνεται αναγκαία, και γραμμική ανάλυση ήβωσης, ώστε να εξαχθεί το κρίσιμο φορτίο λυγισμού. Μελετάμε μοντέλα από σύνθετο υλικό με διάφορους χαρακτηριστικούς τύπους διαστρωμάτωσης, καθώς και από ισότροπο ώστε να εξασφαλίσουμε ότι η προσομοίωση των μοντέλων μας έγινε σωστά. Στο τέλος του κεφαλαίου παρατίθενται συγκεντρωτικοί πίνακες των αποτελεσμάτων των κρισίμων φορτίων και των ιδιομορφών ήβωσης όλων των μοντέλων.

Στο έκτο κεφάλαιο εξετάζουμε την περίπτωση χαρακτηριστικών ορθογωνικών πλακών με μεταβλητό λόγο πλευρών a/b, οι οποίες λυγίζουν υπό την επίδραση κατανεμημένου φορτίου και αντιστοιχούν σε μια μικρή περιοχή θλιβόμενου φτερού δοκού. Η ανάλυση γίνεται και σ’ αυτή την περίπτωση, με τη βοήθεια του προγράμματος που αναφέραμε προηγουμένως και ο φορέας προσομοιώνεται με πεπερασμένα στοιχεία πλάκας (laminate elements). Σε κάθε μοντέλο παρατίθεται στατική ανάλυση, όπου κρίνεται αναγκαία, και γραμμική ανάλυση ήβωσης, ώστε να εξαχθεί το κρίσιμο φορτίο λυγισμού. Μελετάμε μοντέλα από σύνθετο υλικό με διάφορους χαρακτηριστικούς τύπους διαστρωμάτωσης. Στο τέλος του κεφαλαίου παρατίθενται συγκεντρωτικοί πίνακες των αποτελεσμάτων των κρισίμων φορτίων και των ιδιομορφών ήβωσης όλων των μοντέλων.

Στο έβδομο κεφάλαιο εξετάζουμε την περίπτωση χαρακτηριστικών ορθογωνικών πλακών με μεταβλητό λόγο πλευρών a/b, οι οποίες λυγίζουν υπό την επίδραση τριγωνικά κατανεμημένου αξονικού φορτίου. Οι συνθήκες στήριξης και η φόρτιση έχουν επιλεχθεί έτσι ώστε να προσομοιάζουν μια μικρή περιοχή σε θλιβόμενο τμήμα κορμού δοκού.  Η ανάλυση γίνεται με τη βοήθεια του  MSC Nastran και ο φορέας προσομοιώνεται με πεπερασμένα στοιχεία πλάκας (laminate elements). Σε κάθε μοντέλο παρατίθεται στατική ανάλυση, όπου κρίνεται αναγκαία, και γραμμική ανάλυση ήβωσης, ώστε να εξαχθεί το κρίσιμο φορτίο λυγισμού. Μελετάμε μοντέλα από σύνθετο υλικό με διάφορους χαρακτηριστικούς τύπους διαστρωμάτωσης. Στο τέλος του κεφαλαίου παρατίθενται συγκεντρωτικοί πίνακες των αποτελεσμάτων των κρισίμων φορτίων και των ιδιομορφών ήβωσης όλων των μοντέλων.

Τέλος, στο όγδοο κεφάλαιο επιχειρείται η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των προηγούμενων τριών κεφαλαίων. Παρατίθενται παρατηρήσεις και σχόλια για τα αποτελέσματα που παίρνουμε από τα μοντέλα μας, καθώς και συγκριτικά σχήματα ώστε να δοθεί η δυνατότητα στον αναγνώστη να αξιολογήσει με καλύτερη εποπτεία τα συμπεράσματά μας.