Stress analysis and optimization of laminate layup of defined composite structure geometry under given loading conditions

Abstract

Основни циљ ове дисертације је да се добије методологија која ће омогућити да се оптимизује композитна конструкција дефинисане геометрије са дефинисаним слагањем ламината, за задате услове оптерећења, где је циљ постизање високог нивоа крутости и чврстоће а минималне масе. Композитна конструкција дефинисане геометрије је репна део трупа лаког авиона. Репни део трупа се састоји од различитих конструктивних делова који су повезани са кабином авиона. Да би се постигли жељени захтеви у погледу крутости, чврстоће и тежине, репни део трупа је направљен од композитног материјала ојачаног угљеничним влакнима. Аналитичке и нумеричке методе су коришћене за процену чврстоће и константи еластичности композитне ламине (угљенично влакно – епокси матрица). Аналитичке методе су се углавном заснивале на принципима Отпорности материјала. Истовремено, за процену константи еластичности разматрани су и добро познати полуемпиријски модели Halpin-Tsai-а и Chamis-а. Добијени резултати су упоређени са резултатима добијеним применом методе коначних елемената (МКЕ). Након дефинисања карактеристика еластичности и чврстоће ламине, дефинисане су типичне конфигурације слагања ламината. Израђен је нумерички модел репног дела трупа. Све претходно дефинисане конфигурације слагања ламина у ламинат су додељене као материјал (угљенично влакно – епокси) од кога су направљени сви структурaлни делови репног дела трупа који је потом оптерећен унапред дефинисаним аеродинамичким оптерећењима. У овој дисертацији коришћене су симулације применом нумеричке анализе интеракције флуида и структуре - спрегнуте анализе (енг. coupled analysis), где се аеродинамичко оптерећење добијено коришћењем прорачунске динамике флуида (ПДФ) спреже са резултатима структурних анализа добијених применом МКЕ. Једносмерне и двосмерне спрегнуте анализе коришћене су за израчунавање аеродинамичких сила које делују на композитну конструкцију репног дела трупа. Чврстоћа сваког дела конструкције репног дела трупа, у смислу провере губитка носивости, проверена је коришћењем критеријума Tsai-Wu. Ниво чврстоће сваког конструктивног дела конструкције репног крака је процењен унапред дефинисаним параметром, названим фактор сигурности (SF) који је коришћен као кључни параметар у поступку оптимизације. Током поступка оптимизације, дизајнерске променљиве су биле: оријентацијски углови, начин слагања, дебљина ламине као и број слојева. Нумеричким методама проучаван је утицај порозности ниског нивоа на карактеристике еластичности материјала матрице, која се користи као везиво угљеничних влакана у композитном материјалу. Нумеричка анализа заснована на примени МКЕ је примењена за проучавање утицаја структурне порозности ниског нивоа на карактеристике еластичности материјала матрице. Распоред пора је симулиран применом новог multi-pore unit cell (MPUC) 3-D нумеричког модела. Извршено je поређење добијених вредности за модул еластичности (Е), модул смицања (G) и Поасонов однос ) за различите облике и различите запреминске уделе порозитета, са доступним експерименталним подацима, објављеним у доступној литератури. Потврђено је да порозност материјала, у облику затворених пора, има значајан утицај на карактеристике еластичности структуралних материјала. Извршена је анализа утицаја температурског оптерећења на композитни материјал угљенично влакно / епокси, а која подразумева појаву тзв. „термичких напона“. Извршена је анализа термичког напрезања разматране композитне конструкције изложене различитим нивоима ниских и високих температура. Ова анализа је урађена применом МКЕ, при чему су примењени различити температурни распони између –50°C и +50°C. Добијени резултати показују да је утицај екстремних температура на чврстоћу композитне конструкције, знатан.