Evaluation of the effects of defects and ageing on the strength of composite bonded joints by mechanical tests and numerical simulation

Abstract

Παρ’ ότι η σύνδεση με κόλλα σε δευτερεύουσες δομές αποτελεί συνηθισμένη πρακτική σήμερα στις αεροναυπηγικές κατασκευές από σύνθετα υλικά, οι κανονισμοί των οργανισμών αξιοπλοΐας (EASA και FAA), δεν επιτρέπουν τη σύνδεση κύριων δομικών στοιχείων μόνο με χρήση κόλλας χωρίς την ύπαρξη μηχανικής σύνδεσης. Σύμφωνα με τους παραπάνω οργανισμούς, υπάρχουν τρία Μέσα Συμμόρφωσης (Means of Compliance) μέσω των οποίων μπορεί να αποδειχτεί ότι η σύνδεση με κόλλα έχει την ικανότητα να φέρει με ασφάλεια τα απαιτούμενα φορτία: 1. Η σχέση της μέγιστης αποκόλλησης της σύνδεσης με την ικανότητα της να φέρει φορτία πρέπει να καθορίζεται με ανάλυση, μηχανικές δοκιμές ή συνδυασμό τους. Η αποκόλληση της κάθε σύνδεσης πέρα από την προκαθορισμένη έκταση πρέπει να αποφεύγεται με σχεδιαστικά χαρακτηριστικά. 2. Ο εκτενής πειραματικός χαρακτηρισμός της σύνδεσης και απόδειξη της ικανότητας να φέρει το μέγιστο φορτίο για το οποίο σχεδιάστηκε. 3. Η εφαρμογή μη καταστροφικών ελέγχων για τον έλεγχο επιφάνειας κόλλησης έτσι ώστε να διασφαλίζεται η αντοχή της σύνδεσης. Τα Μέσα Συμμόρφωσης 2 και 3 αποτέλεσαν το αντικείμενο του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος ComBoNDT (Quality assurance concepts for adhesive bonding of aircraft composite structures by advanced NDT) στο πλαίσιο του οποίου πραγματοποιήθηκε μεγάλο μέρος της Διδακτορικής διατριβής. Οι βασικοί στόχοι της παρούσης διατριβής είναι (α) Ο πειραματικός προσδιορισμός της επίδρασης ατελειών, της υποβάθμισης της ποιότητας της επιφάνειας της κόλλησης και της υγροθερμικής γήρανσης, που προκαλούνται κατά τη διαδικασία της παραγωγής ή της επισκευής αεροπορικών κατασκευών από σύνθετα υλικά, στην αντοχή συνδέσεων με κόλλα και (β) Η εφαρμογή και αξιολόγηση του καινοτόμου πειράματος της φυγοκέντρισης για τον χαρακτηρισμό της αντοχής κόλλησης συνδέσεων με κόλλα και τη μελέτη της επίδρασης ατελειών και της υποβάθμισης της επιφάνειας της κόλλησης. Για την υλοποίηση των παραπάνω βασικών στόχων, εκτελέστηκαν οι παρακάτω επιμέρους στόχοι: •Πειραματική μελέτη της επίδρασης της ατελούς σύνδεσης στη δυσθραυστότητα τύπου Ι και τύπου ΙΙ συνδέσεων συνθέτων υλικών με κόλλα. •Πειραματική μελέτη της συνδυασμένης επίδρασης της ατελούς σύνδεσης και της υγροθερμικής γήρανσης στη δυσθραυστότητα τύπου ΙΙ συνδέσεων συνθέτων υλικών με κόλλα. •Μελέτη της επίδρασης των ατελειών και της υποβάθμισης της ποιότητας της επιφάνειας κόλλησης στην αντοχή σε διάτμηση μονής επικάλυψης δοκιμίων υπό κλίση (επισκευή). •Μελέτη της επίδρασης της υγροθερμικής γήρανσης στις μηχανικές ιδιότητες της κόλλας. •Μελέτη της επίδρασης της υγροθερμικής γήρανσης στη δυσθραυστότητα τύπου Ι και τύπου ΙΙ της CFRP πολύστρωτης πλάκας. •Διεξαγωγή πειραμάτων φυγοκέντρισης σε συνδέσεις με κόλλα μεταλλικών και συνθέτων υλικών για τον προσδιορισμό της αντοχής κόλλησης και της επίδρασης ατελειών και της υποβάθμισης της ποιότητας της επιφάνειας της κόλλησης – σύγκριση της μεθόδου με συμβατικές πειραματικές μεθόδους. •Εφαρμογή ολοκληρωμένης μεθοδολογίας για την επεξήγηση των αποτελεσμάτων των μηχανικών δοκιμών στον πυρήνα της οποίας βρίσκονται αποτελέσματα συμβατικών και εξελιγμένων μη-καταστροφικών ελέγχων. •Διεύρυνση της επίδρασης της ατελούς σύνδεσης σε συνδέσεις με κόλλα δομικών στοιχείων από σύνθετα υλικά μέσω αριθμητικής προσομοίωσης. •Ανάπτυξη αριθμητικού μοντέλου για την προσομοίωση του πειράματος φυγοκέντρισης και την εκτίμηση των παραμέτρων φόρτισης, υλικών, και γεωμετρίας στην αντοχή κόλλησης. Τα σενάρια ανάπτυξης ατελειών και υποβάθμισης της επιφάνειας κόλλησης που εξετάστηκαν στην εργασία προέρχονται από τις διεργασίες είτε της κατασκευής ή επισκευής συνδέσεων με κόλλα συνθέτω υλικών και είναι τα ακόλουθα: Υγρασία (Κατασκευή), Δακτυλικό αποτύπωμα (Κατασκευή & Επισκευή), Αποκολλητικό υλικό (Κατασκευή), Αποκολλητικό υλικό + Δακτυλικό αποτύπωμα (Κατασκευή), Ατελής πολυμερισμός (Επισκευή), Υγρό αποπάγωσης (Επισκευή), Θερμική υποβάθμιση (Επισκευή), Θερμική υποβάθμιση + Υγρό αποπάγωσης (Επισκευή). Τα σενάρια αυτά προκαλούν ατέλειες και αλλοιώσεις οι οποίες δεν είναι ανιχνεύσιμες από συμβατικές τεχνικές μη-καταστροφικού ελέγχου, όπως οι ακουστικοί υπέρηχοι. Όλες οι μηχανικές δοκιμές διεξήχθησαν σύμφωνα με διεθνή πρότυπα εκτός από τη δοκιμή φυγοκέντρισης για την οποία δεν υπάρχει σχετικό πρότυπο. Τα αποτελέσματα των μηχανικών δοκιμών αξιολογήθηκαν με την εφαρμογή μεθοδολογίας η οποία συνδυάζει την περιγραφή της διαδικασίας μόλυνσης/αλλοίωσης της επιφάνειας πριν την κόλληση, την αποτίμηση των επιφανειών αστοχίας, τα αποτελέσματα της στατιστικής ανάλυσης ANOVA των πειραματικών αποτελεσμάτων και αποτελέσματα συμβατικών και εξελιγμένων μη-καταστροφικών ελέγχων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν αποτελέσματα από τις ακόλουθες εξελιγμένες τεχνικές: Σάρωση Ακουστικών Υπερήχων, Φωτοηλεκτρονική Φασματοσκοπία Ακτινών Χ, Οπτικά Διεγερμένη Εκπομπή Ηλεκτρονίων, Φασματοσκοπία Πλάσματος Επαγόμενου από Λέιζερ και τη συμβατική τεχνική της Σάρωσης Ακουστικών Υπερήχων. Για τα περισσότερα σενάρια μόλυνσης/αλλοίωσης τα αποτελέσματα των μηχανικών δοκιμών έδειξαν μείωση της δυσθραυστότητας τύπου Ι και τύπου ΙΙ των συνδέσεων οι οποίες μετρήθηκε σε όρους του κρίσιμου ρυθμού απελευθέρωσης ενέργειας (GIC και GIIC). Η μείωση της δυσθραυτόστητας τύπου ΙΙ ήταν σημαντικά μεγαλύτερη. Τα αποτελέσματα των μη-καταστροφικών ελέγχων, στις περισσότερες περιπτώσεις, επιβεβαίωσαν την παρουσία ατελειών και μόλυνσης στην επιφάνειας κόλλησης και τη σύνδεση, ενώ οι επιφάνειες αστοχίας συμβαδίζουν με τις τιμές της δυσθραυστότητας. Η υγροθερμική γήρανση δεν έχει σημαντική επίδραση στις ιδιότητες της (υδροφοβικής) κόλλας και των πλακών CFRP. Ωστόσο, οδηγεί σε υποβάθμιση της δυσθραυστότητας των συνδέσεων γεγονός το οποίο αποδίδεται στην υποβάθμιση της διεπιφάνειας κόλλας/συνθέτου υλικού, κάτι το οποίο επιβεβαιώνεται και από τις επιφάνειες αστοχίας. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων στα δοκίμια μονής επικάλυψης υπό κλίση έδειξαν ότι η θερμική υποβάθμιση δεν επιδρά αρνητικά σε αντίθεση με το υγρό αποπάγωσης η παρουσία του οποίου οδηγεί σε σημαντική μείωση της αντοχής σε διάτμηση της κόλλας. Ακόμη μεγαλύτερη είναι η μείωση στην αντοχή σε διάτμηση λόγω της συνδυασμένης μόλυνση/αλλοίωσης υγρού αποπάγωσης/θερμικής υποβάθμισης. Τα αποτελέσματα των δοκιμών φυγοκέντρισης ως προς την αντοχή της κόλλησης κυμαίνονται μέσα στο εύρος των τιμών που δίνουν αντίστοιχες, ευρέως αποδεκτές στατικές δοκιμές. Επίσης, τα αποτελέσματα για τα διαφορετικά σενάρια μόλυνσης/αλλοίωσης είναι αντίστοιχα με αυτά των δοκιμών δυσθραυστότητας γεγονός που καταδεικνύει ότι η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τη μελέτη της επίδρασης της ατελούς κόλλησης στην αντοχή κόλλησης. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί μια πρώτη εκτίμηση της επίδρασης των μολύνσεων/αλλοιώσεων στην αντοχή δομικών στοιχείων από σύνθετα υλικά συνδεδεμένων με κόλλα μελετήθηκε αριθμητικά η συμπεριφορά σε θλίψη πλάκας από υλικό CFRP με κολλητές ενισχύσεις (stringers). Για την ανάλυση, αναπτύχθηκε μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων στον εμπορικό κώδικα LS-Dyna. Η αποκόλληση προσομοιώθηκε με χρήση της μεθόδου της Ζώνης Συνοχής. Η ύπαρξη μολύνσεων/αλλοιώσεων στην πλάκα μοντελοποιήθηκε μέσω της χρήσης των υποβαθμισμένων τιμών του κρίσιμου ρυθμού απελευθέρωσης ενέργειας τύπου Ι και ΙΙ που μετρήθηκαν για κάθε σενάριο από τα αντίστοιχα πειράματα δυσθραυστότητας. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική μείωση του μέγιστου θλιπτικού φορτίου, που μπορεί να φέρει η πλάκα, εξαιτίας των ατελών συνδέσεων των ενισχύσεων. Στην παρούσα εργασία μοντελοποιήθηκε για πρώτη φορά το πείραμα φυγοκέντρισης. Για την ανάλυση, αναπτύχθηκε μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων στον εμπορικό κώδικα LS-Dyna. Η αποκόλληση προσομοιώθηκε με χρήση της μεθόδου της Ζώνης Συνοχής. Οι εκτιμήσεις του μοντέλου για την αντοχή κόλλησης είναι σε αρκετά καλή συμφωνία με τις αντίστοιχες πειραματικές τιμές γεγονός που επαληθεύει το μοντέλο. Με χρήση του μοντέλου πραγματοποιήθηκε παραμετρική μελέτη για την επίδραση του χρόνου ολοκλήρωσης, της επιφάνειας της κόλλησης και του πάχους της κόλλας. Επελέγη ο βέλτιστος χρόνος ολοκλήρωσης μέσα από μία μελέτη σύγκλισης. Τα αριθμητικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η επίδραση της επιφάνειας κόλλησης στην αντοχή της κόλλησης είναι αμελητέα, ενώ η αύξηση του πάχους της κόλλας οδηγεί σε μείωση της αντοχής κόλλησης.