Material modelling of rubber coated fabrics employed in the design of innovative ship rescue systems

Abstract

Η υπολογιστική μοντελοποίηση πνευματικών κατασκευών απαιτεί την ακριβή και στιβαρή αριθμητική αναπαράσταση της μηχανικής απόκρισης του συστήματος συνθέτων υλικών που χρησιμοποιήθηκε στην κατασκευή τους. Στη διατριβή αυτή, ένας νέος καταστατικός νόμος αναπτύχθηκε για την περιγραφή της μηχανικής συμπεριφοράς υφασμάτων με ελαστική επίστρωση κάτω από μονοαξονική και διαξονική φόρτιση. Εντός του πλαισίου μηχανικής συνεχούς μέσου της ορθοτροπικής υπερελαστικότητας, η προσέγγιση μοντελοποίησης που υιοθετήθηκε λαμβάνει απευθείας υπόψητης τις συνθήκες επίπεδης έντασης και ασυμπιεστότητας του υλικού. Το εν λόγω υλικό χρησιμοποιείται στην κατασκευή πρωτότυπων πνευματικών συσκευών που στόχο έχουννα χρησιμοποιηθούν σε έκτακτες καταστάσεις στη θάλασσα, παρέχοντας περίσσεια άντωσης σε πλοίαπου έχουν υποστεί βλάβη, αποτρέποντας την ανατροπή ή/και τη βύθισή τους, καθώς και στην ανέλκυση ναυαγίων από τον θαλάσσιο πυθμένα.Η προτεινόμενη συνάρτηση πυκνότητας παραμορφωσιακής ενέργειαςβασίζεται στο ολοκλήρωμα μιας υπερβολικής τριγωνομετρικής συνάρτησης. Ακολουθήθηκε μια βηματική διαδικασία, μερικώς καθοδηγούμενη από τη γραμμική απόκριση του υλικού, ώστε να προσδιοριστεί η κατάλληλη έκφραση του ορίσματος της τριγωνομετρικής συνάρτησης. Οι παράμετροι υλικού που εμπεριέχονται στη διατύπωση της συνάρτησης παραμορφωσιακής ενέργειας προσαρμόστηκαν ταυτόχρονα σε πειραματικά δεδομένα μονοαξονικού και διαξονικού εφελκυσμού, τα οποία διεξήχθησαν για διάφορους λόγους φόρτισης, χρησιμοποιώντας ένα σχέδιο βελτιστοποίησης βασισμένο σε μεθόδους κλίσης. Οι υπολογισμένες τιμές των παραμέτρων υλικού ικανοποιούν τους περιορισμούς για την επίτευξη θετικά ορισμένου γραμμικού μητρώου ελαστικότητας. Επιπλέον, εξετάστηκε η αριθμητική ευστάθεια του προτεινόμενου μοντέλου υλικού εφόσον αποτελεί προϋπόθεση για την αξιοπιστίατων προσομοιώσεων με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Τα ευρήματα της ανάλυσης υποδεικνύουν ότι δε θα αντιμετωπιστούν αριθμητικές αστάθειες για τις εφαρμογές που εξετάστηκαν στα πλαίσια της διατριβής.Η προτεινόμενη συνάρτηση πυκνότητας παραμορφωσιακής ενέργειας χρησιμοποιήθηκε στην εξαγωγή των τανυστών τάσης και ελαστικότητας για την περαιτέρω χρήση του καταστατικού νόμου στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS.Διεξάχθηκαν δοκιμές επαλήθευσης και επιβεβαίωσης της ρουτίνας υλικού, με δοκιμές ενός στοιχείου και προσομοιώσεις των δοκιμών μονοαξονικού και διαξονικού εφελκυσμού, αντιστοίχως. Στο τελευταίο κεφάλαιο της διατριβής παρουσιάζονται προσομοιώσεις των δοκιμών εφαρμογής των σωστικών συσκευών που επιδεικνύουν τη χρηστικότητα και αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου καταστατικού νόμου και επίσης υπογραμμίζονται κάποιες ιδιαίτερες πλευρές της απόκρισής τους. Πιο συγκεκριμένα, ανάλυση των σφαιροκυλινδρικών πνευματικών συσκευών, με χρήση στοιχείων κελύφους, κάτω από εφαρμογή εσωτερικής ομοιόμορφης πίεσης έδειξε ότι η ύπαρξη κάμψης στην περιοχή γεωμετρικής μετάβασης από σφαίρα σε κύλινδρο και αντιστρόφως, έχει πολύ τοπικό χαρακτήρα και συνεπώς η απόκριση της συσκευής είναι πολύ κοντά σε εκείνη μιας μεμβράνης. Η προσομοίωση των τελευταίων σταδίων έκπτυξης των πνευματικών συσκευών εντός μίας διπύθμενης κατασκευής κατέληξε σε καλή συσχέτιση των αριθμητικών αποτελεσμάτων με τις πειραματικές δοκιμές σε «συνθήκες ξηράς», όσον αφορά τη γενική απόκριση των συσκευών καθώς και τις περιοχές επαφών. Τέλος, προσομοιώθηκε και μελετήθηκε η συμπεριφορά των πνευματικών συσκευών κάτω από τη δράσηανωστικών δυνάμεων, οδηγώντας σε χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με το αναπτυσσόμενο τασικό πεδίο στις πνευματικές συσκευές κάτω από την ύπαρξη έντονων δυνάμεων επαφής λόγω της αλληλεπίδρασηςτουςμε την περιβάλλουσα μεταλλική κατασκευή.