Προσομοίωση συστήματος ίνας / μήτρας και μελέτη θερμομηχανικής συμπεριφοράς

Ανδρεσάκης, Κωνσταντίνος

Fiber / matrix system simulation and thermo-mechanical behavior study

Διπλωματική εργασία

Author

Ανδρεσάκης, Κωνσταντίνος

Date

2022-10-27

Advisor

Δραγατογιάννης, Δημήτριος

Διπλωματική Εργασία (3.069Mb)

Keywords

Διεπιφάνεια ; Ίνα ; Μήτρα ; Αποκόλληση ; Δυσθραυστότητα ; Εκρίζωση ; Διακριτοποίηση ; Σύνθετα υλικά

Abstract

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης των θερμικών φορτίων στη διεπιφάνεια ίνας/μήτρας σύνθετου υλικού ενισχυμένου με ίνες άνθρακα. Μέσω συνδυασμού θερμικού φορτίου και κατάλληλης εφελκυστικής δύναμης πραγματοποιείται εκρίζωση της ίνας (Fiber pull-out) λόγω του διαχωρισμού (Debonding) ίνας/μήτρας στη διεπιφάνεια. Το τρισδιάστατο μοντέλο προσομοιώθηκε με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων, το οποίο είναι ένα δοκίμιο κυλινδρικής γεωμετρίας ίνας/μήτρας. Οι παράμετροι οι οποίες μελετήθηκαν είναι τα υλικά της μήτρας (matrix), της ίνας (fiber), οι μηχανικές ιδιότητες της διεπιφάνειας (interface), η γεωμετρία της ίνας, τα ογκομετρικά κλάσματα της μήτρας, διαφορετικό μήκος δοκιμίου και της ίνας και τέλος το διάγραμμα Δύναμης-Μετατόπισης. Σε διαφορετικές θερμοκρασίες από 30οC έως 120οC και με βήμα 30οC μελετήθηκε η εκρίζωση της ίνας από τη μήτρα. Έπειτα, στους πιο εύθραυστους συνδυασμούς αυτών, δηλαδή στις ενεργειακά βέλτιστες λύσεις, έγινε μελέτη για διαφορετική ακτίνα της ίνας και διαφορετικό μήκος του δοκιμίου. Στη παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ANSYS Student.

Abstract

The aim of this thesis is to study the effects of thermal loads on the interface of carbon fiber reinforced composite material. Through a combination of thermal load and appropriate tensile force, fiber pull-out occurs due to the fiber/matrix debonding at the interface. The 3D model was simulated by the finite element method. Which is a cylindrical fiber/matrix geometry specimen. The parameters that were studied are the materials of the matrix, the fiber, the mechanical properties of the interface, the geometry of the fiber, the volumetric fractions of the matrix, different length of the sample and the fiber and finally the diagram Force-Displacement. At different temperatures from 30οC to 120 οC and with a step of 30οC, the fiber pullout was studied. Then, at the most fragile combinations of these, i.e. at the energetically optimal solutions, a study was made for different radius of the fiber and different length of the specimen. In this thesis the software ANSYS Student was used.