Αντικείμενο της εργασίας αποτελεί η ανάπτυξη ανισότροπου μη γραμμικού καταστατικού μοντέλου υλικού, που περιλαμβάνει την πρόβλεψη της έναρξης και προοδευτικής διάδοσης της βλάβης, για την προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς πολύστρωτων διατάξεων από ινώδη σύνθετα υλικά υπό κυκλική φόρτιση. Το καταστατικό μοντέλο χρησιμοποιεί ως δεδομένα εισόδου τη μηχανική συμπεριφορά της στρώσης υπό κυκλική εντατική κατάσταση σταθερού εύρους και προβλέπει τη διάρκεια ζωής και την εναπομένουσα δυσκαμψία και στατική αντοχή οποιασδήποτε πολύστρωτης διάταξης υπό πολυαξονική κυκλική φόρτιση μεταβλητού εύρους. Στο πλαίσιο της εργασίας διεξήχθησαν πειράματα για την ανάπτυξη καταστατικών μοντέλων που περιγράφουν την μηχανική συμπεριφορά της στρώσης υπό κυκλική φόρτιση, στις κύριες διευθύνσεις της, επεξεργάστηκαν πειραματικά δεδομένα, παρήχθησαν τα καταστατικά μοντέλα και αναπτύχθηκε κώδικας για την προσομοίωση. Τα μοντέλα της μηχανικής συμπεριφοράς της στρώσης υπό κυκλική εντατική κατάσταση παρουσιάστηκαν λεπτομερώς, όπως προέκυψαν από την επεξεργασία δεδομένων από 304 πειράματα, στατικά και κοπωτικά. Εισήχθησαν νέα καταστατικά μοντέλα για την αναπαράσταση της μηχανικής συμπεριφοράς της στρώσης υπό κυκλική φόρτιση, για τις ιδιότητες που δεν υπήρχαν διαθέσιμα ή που τα διαθέσιμα κρίθηκαν μη ικανοποιητικά. Η μέθοδος είχε δύο εφαρμογές. Στην μία θεωρήθηκε ομογενές εντατικό πεδίο και ο υπολογισμός της εντατικής κατάστασης έγινε με τις υποθέσεις της κλασικής θεωρίας πολύστρωτων πλακών. Η άλλη ήταν σε εμπορικό κώδικα πεπερασμένων στοιχείων. Διεξήχθη εκτενής ποιοτική ανάλυση ευαισθησίας της μεθόδου για να διαπιστωθεί ποιοί παράγοντες επηρεάζουν περισσότερο τα αποτελέσματα. Η εγκυρότητα της μεθόδου επιβεβαιώθηκε από ιδιαίτερα εκτενή σύγκριση των προβλέψεων και των δύο εφαρμογών της με πειραματικά δεδομένα: 785 πειράματα διαφόρων πολύστρωτων διατάξεων υπό διάφορες συνθήκες φόρτισης. / An anisotropic non-linear constitutive model implementing progressive damage concepts to predict the residual strength/stiffness and life of composite laminates subjected to multi-axial variable amplitude cyclic loading, FADAS, was presented. The in-plane mechanical behaviour in the principal directions of the uni-directional ply under cyclic loading was also comprehensively presented and implemented in the constitutive model. Stiffness degradation and static or fatigue strength of any multi-directional stacking sequence can be predicted. Two implementations of the method were developed. In the first, homogenous stress field was considered and the cyclic load sequence was simulated cycle by cycle. The second was in a commercial FE code. Strength and stiffness degradation were modelled using simple and cost-effective schemes, while the failure criterion of Puck along with post-failure behaviour of the material, were implemented. An extensive qualitative sensitivity analysis was performed to determine the factors affecting more the simulation results. The method was exhaustively validated by almost entirely reclaiming a huge experimental database, consisting of various laminates under various loading conditions.

Θέμα της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη του φαινομένου απομείωσης της στατικής αντοχής των συνθέτων υλικών (FRP) λόγω κόπωσης και η εφαρμογή των αποτελεσμάτων σε διαδικασίες δομικού σχεδιασμού. Στο πρώτο μέρος της εργασίας παρουσιάζονται διάφορα δημοσιευμένα φαινομενολογικά πρότυπα εναπομένουσας αντοχής, μερικά των οποίων έχουν τροποποιηθεί για να γενικευθούν οι προβλέψεις τους, καθώς και μια νέα μεθοδολογία για παραγωγή προβλέψεων εναπομένουσας αντοχής συγκεκριμένης αξιοπιστίας. Τα πρότυπα αυτά εφαρμόζονται τόσο σε νέα όσο και σε δημοσιευμένα πειραματικά δεδομένα, που αφορούν ένα μεγάλο εύρος συνθέτων υλικών και διαστρωματώσεων. Οι διαδικασίες για την εφαρμογή κάθε προτύπου επιλέγονται με βάση την απλότητα και την ευκολία στην υλοποίηση, έτσι ώστε να μην απαιτείται μεγάλος αριθμός πειραματικών δεδομένων για την εφαρμογή τους. Οι προβλέψεις των προτύπων, τόσο όσον αφορά τις ντετερμινιστικές καμπύλες απομείωσης της στατικής αντοχής όσο και την πρόβλεψη των στατιστικών χαρακτηριστικών της εναπομένουσας αντοχής, αξιολογούνται με στόχο την επιλογή συγκεκριμένων διαδικασιών, εφαρμόσιμων στον σχεδιασμό κατασκευών από σύνθετα υλικά που υφίστανται κοπωτικά φορτία. Μετά την επιλογή ενός αριθμού αξιόπιστων προτύπων από αυτά που παρουσιάστηκαν στο πρώτο μέρος της διατριβής, η εναπομένουσα αντοχή ενσωματώνεται σε μεθοδολογίες πρόβλεψης κοπωτικής ζωής υπό κυκλικά φορτία μεταβλητού εύρους τάσης, Variable Amplitude (VA). Η επίδραση καθενός από τα αυτόνομα στάδια που συνθέτουν τέτοιες μεθοδολογίες, δηλαδή η μέθοδος μέτρησης κύκλων (Cycle Counting) και το διάγραμμα σταθερής ζωής (Constant Life Diagram, CLD), εξετάζεται λεπτομερώς παράλληλα με το ενδεχόμενο αντικατάστασης του κανόνα Palmgren-Miner, σαν μέτρο συσσώρευσης βλάβης, από μεθόδους που βασίζονται στην εναπομένουσα αντοχή. Οι παραγόμενες προβλέψεις αξιολογούνται μέσω πειραμάτων σε πολύστρωτες διατάξεις [04]T και [±45]S υπό την επίδραση τριών διαφορετικών κοπωτικών φασμάτων που έχουν προκύψει είτε μέσω της επεξεργασίας μετρήσεων φόρτισης πτερυγίων σε λειτουργία (WISPER και NEW WISPER) είτε από αριθμητική αερο-ελαστική προσομοίωση (MWIND). Το τελευταίο βήμα περιλαμβάνει τη συμβολή στην ανάπτυξη και υλοποίηση του αλγόριθμου FADAS (FAtigue DAmage Simulator) σε περιβάλλον MATLAB. Ο αλγόριθμος υπολογίζει την επίπεδη εντατική κατάσταση που αναπτύσσεται σε κάθε στρώση της πλάκας κατά την κόπωση, μέσω θεωρίας πολυστρώτων πλακών (Classical Lamination Theory, CLT), προσομοιώνει την υποβάθμιση της αντοχής και της δυσκαμψίας και εφαρμόζει αρχές προοδευτικής βλάβης (progressive damage), βάσει του κριτηρίου αστοχίας του Puck, για την πρόβλεψη της αστοχίας πολυστρώτων διατάξεων υπό οποιαδήποτε κοπωτική φόρτιση. Προβλέψεις του αλγόριθμου FADAS, μετά την ρύθμιση των παραμέτρων βάσει του υλικού αναφοράς, συγκρίνονται με πειράματα κόπωσης σταθερού εύρους πάνω σε τρεις τύπους δοκιμίων. Ο πρώτος είναι μια πολύστρωτη διάταξη [(±45/0)4/±45]T υπό κόπωση σε λόγο τάσεων R=0.1 και R=-1 και οι άλλοι δύο είναι δοκίμια κομμένα υπό γωνία 10° και 60° από την ίδια πολύστρωτη, που υποβάλλονται σε εναλλασσόμενη κόπωση (R=-1), έτσι ώστε ο αλγόριθμος να αξιολογηθεί για διάφορους συνδυασμούς επιβαλλόμενων φορτίσεων και τύπων βλάβης (damage modes). / Subject of this dissertation is the investigation of the static strength degradation phenomenon caused by fatigue in FRP composite materials and its integration to structural design procedures. In the first part of the study, several phenomenological residual strength models from literature, some of them modified to enhance their performance, along with a newly proposed methodology for reliability based residual strength prediction, are implemented to both the experimental data produced as well as to published data referring to a wider range of materials and lay-ups. The implementation procedures proposed are oriented towards simplicity and minimization of the required experimental effort. Models predictions, regarding both deterministic strength degradation behavior and statistical characteristics of residual strength, are assessed in order to clarify the predictive ability of each method and propose specific engineering solutions for the prediction of residual strength after fatigue. Once concluded on a number of efficient engineering models, in the second part of this work, residual strength is integrated in life and residual strength prediction methodologies. As a first step, fatigue life prediction of macroscopically studied composite laminates under variable amplitude (VA) loading is attempted. The effect of each module of the state-of-the-art life prediction schemes, i.e. the counting method and constant life diagram (CLD) is investigated along with the possible benefits from incorporating residual strength as damage accumulation metric instead of the commonly used Palmgren-Miner rule. Predictions are evaluated through tests performed on [04]T and [±45]S laminates of the reference material, under three different loading spectra extracted either from processing strain measurements on operating Wind Turbine Rotor Blades (WISPER and NEW WISPER) or from aero-elastic simulations (MWIND). As a subsequent step, the FADAS (FAtigue DAmage Simulator) life prediction methodology is developed and implemented in computer code. The algorithm, takes into account the plane stress conditions developing into each ply during fatigue by means of classical lamination theory, models the ply-by-ply degradation of strength and stiffness and implements progressive damage principles, based on Puck failure criterion, to predict failure of a laminate after arbitrary cyclic loading. Predictions of the FADAS algorithm, once its parameters are tuned accordingly for the reference UD material, are compared with constant amplitude (CA) fatigue tests performed on three types of specimens: The first consist of a multidirectional (MD) laminate of [(±45/0)4,±45]T lay-up under R=0.1 and R=-1 cyclic loads and the other two are 10° and 60° off-axis coupons cut from the same laminate under R=-1, in an effort to validate the algorithm under various combinations of imposed stresses and induced damage modes.

-- / One of the most important parameters that affect the mechanical response of composites is the quality of the interfacial bond between the matrix and the reinforcing material. Therefore, the aim of the present work is to investigate the effect of fatigue loading on the integrity of the interfacial bond in fibre-reinforced plastics in microscopic level using the laser Raman spectroscopy technique.

Τo πρώτο κεφάλαιο, το οποίο είναι και το εισαγωγικό, παρουσιάζει με συντομία στον ενδιαφερόμενο αναγνώστη τα χαρακτηριστικά, τις ιδιότητες και τις δυνατότητες των βασικών «συστατικών» αυτής της έρευνας, που δεν είναι άλλα παρά τα υπερκράματα και οι επικαλύψεις αυτών. Στη συνέχεια, στο επόμενο κεφάλαιο, παρουσιάζεται το βασικό πειραματικό εργαλείο αυτής της μελέτης, δηλαδή τα πειράματα θερμομηχανικής κόπωσης καθώς και η συγκεκριμένη πειραματική διάταξη που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί. Το κεφάλαιο αυτό θεωρείται ιδιαίτερα σημαντικό καθώς ασχολείται με τις βασικές παραμέτρους που ελέγχουν τα πειράματα αυτά, καθώς και με τους μηχανισμούς αστοχίας που αναμένεται να ενεργοποιούνται κατά τη διάρκειά τους. Το τρίτο κεφάλαιο μπορεί να θεωρηθεί και αυτό καθαρά εισαγωγικό, όπως και το πρώτο, καθώς ασχολείται με τις βασικές αρχές και ιδιότητες της μεθόδου της Ακουστικής Εκπομπής. Το κεφάλαιο αυτό κλείνει με μια περιγραφή του συστήματος της Ακουστικής Εκπομπής που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη αυτή. Τα τρία αυτά κεφάλαια, είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους και κρίθηκε ότι ήταν απαραίτητο να είναι όσο πιο δυνατό πλήρη καθώς αναφέρονται σε υλικά, ιδιότητες και μεθόδους αρκετά «νέες» και μη ευρέως γνωστές. Η εργασία συνεχίζει στο τέταρτο κεφάλαιο με την παρουσίαση της πρώτης πειραματικής σειράς που ασχολείται με ισόθερμα εφελκυστικά πειράματα υλικών στροβιλοκινητήρων, στη θερμοκρασιακή περιοχή λειτουργίας τους. Με την παράλληλη εφαρμογή της μεθόδου της Ακουστικής Εκπομπής γίνεται προσπάθεια ανίχνευσης και τελικά ανάλυσης των ενεργοποιημένων μηχανισμών αστοχίας καθώς και εντοπισμού των βασικών παραμέτρων απόδοσης των υλικών. Το αναλυτικό μέρος της εργασίας ολοκληρώνεται στο πέμπτο κεφάλαιο, όπου και παρουσιάζονται δύο ανεξάρτητες σειρές πειραμάτων θερμομηχανικής κόπωσης. Στα πειράματα αυτά, προηγείται μια προσπάθεια κατανόησης και ανίχνευσης των μηχανισμών αστοχίας. Στη συνέχεια με την αξιοποίηση των καταγεγραμμένων σημάτων Ακουστικής Εκπομπής επιχειρείται συσχέτιση αυτών των μηχανισμών βλάβης – αστοχίας με ομάδες σημάτων ΑΕ καθώς και η ποσοτικοποίηση της εξέλιξης της βλάβης και του βαθμού της υποβάθμισης του υλικού με την εξέταση της υπογραφής των σημάτων αυτών. Η επεξεργασία και παρουσίαση των αποτελεσμάτων αυτών επιχειρήθηκε να γίνει με τέτοιο τρόπο, που να διασφαλίζει την ανεξαρτησία των παρατηρήσεων και συμπερασμάτων για κάθε πειραματική σειρά αλλά συγχρόνως να εξασφαλίζει και μια συνέχεια των παρατηρήσεων και των εφαρμογών. Η εργασία ολοκληρώνεται στο έκτο κεφάλαιο, με μια συζήτηση πάνω στην ανάλυση αυτών των αποτελεσμάτων, όπου διατυπώνονται οι καινοτομίες της έρευνας καθώς και οι προοπτικές εφαρμογής της σε πιο γενικευμένη και επίσημη βάση και το τί η επιστημονική κοινότητα καθώς και τα στελέχη των σχετικών βιομηχανιών θα μπορούσαν να αναμένουν από αυτή. / -

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς συνθέτων υλικών με τροποποιημένη πολυμερή μήτρα σε υγροθερμικές συνθήκες κόπωσης. Συγκεκριμένα τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν είναι CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymers), δηλαδή σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας, τα οποία είναι ενισχυμένα με ίνες άνθρακα. Πρέπει να σημειωθεί ότι χρησιμοποιήθηκαν δυο τύποι πολυμερικών συστημάτων. Το πρώτο σύστημα αποτελείται από την εποξειδική ρητίνη LY 564 και τον σκληρυντή Aradur 2954, ενώ το δεύτερο σύστημα αποτελείται από την κυανεστερική ρητίνη Primaset και το σκληρυντή DT-4000. Επίσης και στα δυο συστήματα τα υλικά που κατασκευάστηκαν ήταν μονο-διεύθυντα (UD προς μία διεύθυνση 00), με εξαίρεση ότι στο εποξειδικό σύστημα κατασκευάστηκαν και Quasi υλικά, στο οποίο οι ίνες έχουν προσανατολισμό σε τέσσερις διαφορετικές διεθύνσεις [(0/+45/-45/90)2]s. Όλα τα υλικά περιέχουν συνολικά 16 στρώσεις ινών. Ακόμη η μήτρα των υλικών μας είναι τροποποιημένη, καθώς περιέχει CNTs (Carbon Nano Tubes) νανοσωληνίσκους, σε διαφορετικά ποσοστά. Τα ποσοστά που μελετήθηκαν ήταν 0%, 0,1%, 0,5% και 1% CNTs για τα εποξειδικά UD υλικά, 0% CNTs για τα Quasi και τέλος 0%,0,5% και 1% CNTs για το κυανεστερικό σύστημα. Τα συγκεκριμένα υλικά τοποθετήθηκαν σε ειδικό μπάνιο για 60 ημέρες, που ήταν γεμάτο με απιονισμένο νερό και σε θερμοκρασία 800C. Μελετήθηκε συστηματικά η απορρόφηση υγρασίας μέχρι και τον κορεσμό τους, καθώς και η μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης των υλικών αυτών. Ακόμη μετά από 60 ημέρες και αφού τα υλικά βγήκαν από το μπάνιο τοποθετήθηκαν σε φούρνο θερμοκρασίας 800C. Σκοπός της διαδικασίας αυτής ήταν η ξήρανση τους, καθώς και η μέτρηση του χρόνου που απαιτείται για την διαδικασία αυτή. Έγιναν επίσης πειράματα δυναμικής-μηχανικής ανάλυσης (DMA), για την μέλετη της μεταβολής της θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης (Tg) για όλα τα στάδια. Αρχικά έγιναν πειράματα DMA σε όλα τα δοκίμια πρίν τοποθετηθούν στο μπάνιο, στην συνέχεια μετά το στάδιο του κορεσμού τους (περίπου στις 20 ημέρες παραμονής τους στο μπανιο), στις 60 ημέρες παραμονής των δοκιμίων στο νερό και τελικά μετά την διασικασία της ξήρανσης. Τέλος έγιναν πειράματα διηλεκτρικής φασματοσκοπίας για να καθοριστεί η ηλεκτρική αγωγιμότητα σε δοκίμια πριν τοποθετηθούν στο μπάνιο, κατά την διάρκεια του κορεσμού τους και τέλος μετά την ξήρανσή τους. / --

Ο θερμομηχανικός χαρακτηρισμός του κράματος NiTi και η ενσωμάτωση του σε πολυμερική μήτρα με στόχο τη γέννηση εσωτερικών μηχανικών τάσεων όταν υπάρξει θερμική διέγερση, είναι επιγραμματικά ο σκοπός της παρούσας εργασίας. Το ‘ευφυές’ σύστημα που μελετάται στην εργασία αυτή αποτελείται από εποξειδική ρητίνη, ενισχυμένη με ίνες Kevlar 29 και ενσωματωμένα σύρματα Νικελίου-Τιτανίου. Στο πρώτο πειραματικό μέρος, περιλαμβάνεται η μελέτη και ο θερμομηχανικός χαρακτηρισμός του υλικού. Χρησιμοποιήθηκαν σύρματα NiTi διαμέτρου 0.3mm, αλλά και ράβδοι για τη διεξαγωγή κάποιων συγκεκριμένων πειραμάτων. Οι πειραματικές τεχνικές περιλαμβάνουν μηχανικά πειράματα εφελκυσμού σε σερβοϋδραυλικό πλαίσιο δοκιμών, ηλεκτρονιακή μικροσκοπία σάρωσης (SEM), οπτική μικροσκοπία, χρήση θερμοκάμερας υπερύθρου ακτινοβολίας, διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC), δυναμική μηχανική ανάλυση (DMA), μέτρηση ηλεκτρικών ιδιοτήτων καθώς και ένα πρωτοποριακό σύστημα χαρακτηρισμού υλικών (σύστημα THERMIS), που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο. Το δεύτερο τμήμα, περιλαμβάνει τη μελέτη του υβριδικού σύνθετου υλικού. Η παρασκευή του πραγματοποιείται σε αυτόκλειστο φούρνο (autoclave) και για την ενεργοποίηση του και την καταγραφή των παραμέτρων κατά τη λειτουργία του, χρησιμοποιείται το σύστημα THERMIS. Για να επιτευχθεί η σύγκριση μεταξύ της συμπεριφοράς του κράματος όταν αυτό ενεργοποιείται με και χωρίς την πολυμερική μήτρα να το περιβάλει, έχουν επιλεγεί δύο τύποι πειραμάτων: συνεχής ενεργοποίηση για μεγάλο χρονικό διάστημα (χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης - activation stress relaxation) και κυκλική ενεργοποίηση-απενεργοποίηση για μεγάλο αριθμό επαναλήψεων (λειτουργική κόπωση – transformation fatigue). Τα πειράματα της λειτουργικής κόπωσης στα σύρματα, έδειξαν ότι η αρχική αναπτυσσόμενη τάση, μειώνεται εκθετικά, συναρτήσει των κύκλων ενεργοποίησης. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η κοπωτική συμπεριφορά του σύρματος, δεν εξαρτάται από τη διάρκεια του χρόνου θέρμανσης ανά κύκλο, αλλά από τον αριθμό των κρυσταλλογραφικών μετασχηματισμών μεταξύ οστενιτικής - μαρτενσιτικής φάσης και αντίστροφα. Ο ρυθμός υποβάθμισης της ικανότητας του κράματος να ασκεί μηχανική τάση, είναι πολύ έντονος κατά τη διάρκεια των πρώτων εκατοντάδων κύκλων και μειώνεται όσο το φαινόμενο εξελίσσεται. Στα σύνθετα υλικά, όπως και στην περίπτωση των συρμάτων SMA, η υποβάθμιση της λειτουργικής ικανότητας των υβριδικών συνθέτων, φαίνεται ότι δεν εξαρτάται από το χρόνο της θέρμανσης ανά κύκλο, αλλά μόνο από το πλήθος των κρυσταλλογραφικών εναλλαγών. Στα πειράματα χαλάρωσης τάσης, η αρχική τάση των συρμάτων ήταν γύρω στα 500MPa και σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα, με την πάροδο του χρόνου και υπό την επίδραση της θερμοκρασίας, λαμβάνει χώρα εκθετική μείωση του μεγέθους της. Το επίπεδο της θερμοκρασίας λειτουργίας, επηρεάζει δραματικά την υποβάθμιση της μηχανικής αναπτυσσόμενης τάσης, της οποίας ο ρυθμός είναι ιδιαίτερα αυξημένος κατά τις πρώτες ώρες λειτουργιάς του υλικού. Ποιοτικά, το ίδιο φαινόμενο συμβαίνει και στην περίπτωση της χαλάρωσης τάσης ενεργοποίησης των υβριδικών συνθέτων, με τη διαφορά ότι η υποβάθμιση είναι σαφώς πιο έντονη. Προτείνεται τέλος, η μελέτη της υποβάθμισης της ικανότητας των ενεργοποιητών, με βάση στατιστικά εργαλεία και μεθόδους, κατά αναλογία με άλλα κοπωτικά φαινόμενα στη φύση (κυρίως στη μηχανική), εφόσον ουσιαστικά πρόκειται για ακολουθία δράσεων που τελικά οδηγούν στην απώλεια της ικανότητας των υλικών μας να ασκούν τάση. Συνηγορεί εξάλλου σε αυτό και η μορφή των πειραματικών καμπυλών, που παρουσιάζουν μεγάλη ομοιότητα με τις αντίστοιχες καμπύλες S/N, στη μηχανική κόπωση των υλικών. / The present work, aims to the thermo-mechanical characterization of the NiTi Shape Memory Alloy and the characterization of ‘smart’ hybrid composites with embedded SMAs, under thermal activation. The composite structure that is being investigated consists of an epoxy resin matrix, Kevlar 29 fibers and NiTi SMA wires. The first experimental section deals with the thermo mechanical characterization of the Shape Memory Alloy. 0.3 mm in diameter wires were used. The experimental techniques, include mechanical tests using a servo-hydraulic testing apparatus, scanning electron microscopy (SEM), optical microscopy, thermal IR camera imaging, differential scanning calorimetry (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA), electrical measurements and a novel thermo mechanical characterization system (Thermis), which was tailor made according to the needs of this project. The second experimental section deals with the characterization of the composite material, which was developed using a special purpose furnace (autoclave) and was tested on the Thermis system. In order to compare the functionality of the SMA either in free condition or embedded in a polymer matrix, two experiments were chosen: continuous activation for a long time (activation stress relaxation) and recurrent thermal activation (transformation fatigue). The transformation fatigue experiments showed that the initially developed mechanical stress, reduces exponentially, according to the number of the crystalline transformations. The functional fatigue life of the alloy, does not depend on the heating time per cycle, but is strongly correlated to the number of the recurrent transformation between martensite and austenite. The stress reduction rate is increased during the first cycles and reduces as the phenomenon develops. As it concerns the composite materials, like the SMA wire case, the reduction of the stress generation capability, is not affected by the heating time per cycle, and is only related to the number of the crystalline transformations. During the stress relaxation experiments, the initial developed stress of the wires was about 500 MPa and according to the experimental results, as time passes and under the influence of the thermal field, the stress reduces exponentially. The temperature level strongly affects the reduction phenomenon and the reduction rate is very high during the first hours of the experiment. The same behavior is observed not only at the SMA wires but also at the composites, as well, noting that reduction in the later case is much more intense. At the end, the study of the fatigue and relaxation phenomena, using a statistical approach, is suggested, like many other fatigue cases in nature (especially in mechanics). The fatigue curves presented here resemble to the S/N curves that can derived from the case of mechanical fatigue of other structural materials, like steel or CFR composites.

Η αυτοματοποιημένη μεθοδολογία εύρεσης προγραμμάτων υπολογιστών (κώδικα) που βασίζεται στις αρχές της βιολογικής εξέλιξης, ονομάζεται Γενετικός Προγραμματισμός (ΓΠ). Με άλλα λόγια, πρόκειται για μια τεχνική Μηχανικής Μάθησης, η οποία χρησιμοποιεί ένα Εξελικτικό Αλγόριθμο για να βελτιστοποιήσει ένα πληθυσμό από προγράμματα υπολογιστή σύμφωνα με μια συνάρτηση καταλληλότητας που καθορίζεται από την ικανότητα του προγράμματος να εκτελέσει ένα δοσμένο υπολογιστικό έργο. Στην εργασία αυτή θα χρησιμοποιηθούν διάφορες τεχνικές Γενετικού Προγραμματισμού στην μοντελοποίηση Χρονοσειρών. Τα συστήματα που θα αναπτυχθούν, θα χρησιμοποιηθούν για τους παρακάτω σκοπούς: • Μοντελοποίηση του συστήματος που «παράγει» τη χρονοσειρά, • Εξαγωγή χαρακτηριστικών και κανόνων που μπορούν να οδηγήσουν στην ικανότητα πρόβλεψης χρονοσειρών. Οι χρονοσειρές που θα χρησιμοποιηθούν για να δοκιμάσουμε την λειτουργία των συστημάτων που θα υλοποιηθούν είναι οι εξής: • Χρονοσειρά δεικτών ελληνικού χρηματιστηρίου, • Χρονοσειρές ιατρικών δεδομένων όπως για παράδειγμα χρονοσειρά σήματος μαγνητοεγκεφαλογραφήματος. Οι κλασσικές τεχνικές Γενετικού Προγραμματισμού χρησιμοποιούν δενδρικές δομές για την αναπαράσταση των προγραμμάτων-ατόμων των πληθυσμών. Στο παρελθόν έχουν εκπονηθεί και υλοποιηθεί πολλές εργασίες που χρησιμοποιούν γενετικό προγραμματισμό για την μοντελοποίηση χρονοσειρών. Τα αποτελέσματα ήταν ικανοποιητικά. Το βασικό πρόβλημα που αντιμετωπίστηκε ήταν ο μεγάλος χρόνος εκτέλεσης που απαιτούν οι κλασσικές τεχνικές Γενετικού προγραμματισμού. Το θέμα λοιπόν είναι ανοιχτό σε μελέτη και υπάρχει η ανάγκη να χρησιμοποιηθούν νέες τεχνικές γενετικού προγραμματισμού για να πάρουμε και καλύτερα και πιο γρήγορα αποτελέσματα. Στην εργασία αυτή, θα χρησιμοποιηθεί η τεχνική του Γραμμικού Γενετικού Προγραμματισμού. Σε αυτήν την τεχνική, τα προγράμματα-άτομα του πληθυσμού αναπαρίστανται σαν μια ακολουθία από εντολές οι οποίες αναπαρίστανται σε δυαδική μορφή. Οι δύο αυτές τεχνικές θα συγκριθούν και θα βγουν συμπεράσματα για το ποια είναι η πιο χρήσιμη στον τομέα της μοντελοποίησης χρονοσειρών. Ακόμη, θα υλοποιηθούν αλγόριθμοι οι οποίοι εντοπίζουν και αφαιρούν τον κώδικα που δεν συμμετέχει στην παραγωγή της εξόδου των προγραμμάτων-ατόμων του πληθυσμού. Οι αλγόριθμοι αυτοί, περιμένουμε να επιταχύνουν κατά πολύ την διαδικασία της εξέλιξης του πληθυσμού, αφού στον γενετικό προγραμματισμό σχηματίζονται συχνά τέτοια μπλοκ κώδικα που δεν επηρεάζουν την έξοδο των προγραμμάτων. / -

H υποβάθμιση της δομικής ακεραιότητας των αεροπορικών κατασκευών με το χρόνο και η αποτίμηση της αποτελεί ένα σημαντικό τεχνολογικό πρόβλημα της αεροναυπηγικής. Το πρόβλημα αυτό σε συνδυασμό με το ότι εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται αεροσκάφη, τα οποία έχουν ξεπεράσει τον αρχικά σχεδιασμένο χρόνο της επιχειρησιακής τους λειτουργίας, οδήγησε τη διεθνή επιστημονική κοινότητα και την αεροπορική βιομηχανία να ασχοληθεί με το πρόβλημα του “γηράσκοντος” αεροσκάφους (aging aircraft). Το πρόβλημα της γήρανσης της δομής ενός αεροσκάφους οφείλεται κυρίως στην εμφάνιση ευρείας έκτασης βλάβης κόπωσης (wide spread fatigue damage) σε διάφορες περιοχές της κατασκευής, η οποία αυξάνει την πιθανότητα εμφάνισης καταστροφικών αστοχιών. Οι ηλωτές συνδέσεις των ελασμάτων που συνθέτουν την άτρακτο ή τις πτέρυγες ενός αεροσκάφους αποτελούν περιοχές συγκέντρωσης τάσεων και εστίες διάβρωσης με συνέπεια την εμφάνιση και εξέλιξη μικρών ρωγμών σε πολλαπλά σημεία της δομής. Η κατάσταση της ύπαρξης πολλών αλληλεπιδρουσών ρωγμών στο ίδιο δομικό στοιχείο ονομάζεται πολλαπλή βλάβη (Multiple Site Damage – MSD) και οδηγεί σε σημαντική μείωση της εναπομένουσας αντοχής του δομικού στοιχείου και σε υποβάθμιση της δομικής του ακεραιότητας. Η μελέτη του προβλήματος της πολλαπλής βλάβης και η αντιμετώπισή του αποτελεί σημαντικό πεδίο έρευνας, καθώς περιλαμβάνει πλήθος επιμέρους φαινομένων, τα οποία αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Τέτοια φαινόμενα είναι η έναρξη, η διάδοση και η συνένωση πολλαπλών ρωγμών, η τελική αστοχία δομικού στοιχείου σε συνθήκες πολλαπλής βλάβης, καθώς και η επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων όπως η διάβρωση στη συμπεριφορά των υλικών. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας για την εκτίμηση της εμφάνισης και εξέλιξης της πολλαπλής βλάβης κόπωσης σε αεροπορικά δομικά στοιχεία, έτσι ώστε να είναι εφικτή η εκτίμηση της δομικής τους ακεραιότητας σε οποιαδήποτε στιγμή της διάρκειας λειτουργίας τους. Τα τεχνολογικά προβλήματα, που αντιμετωπίζονται στην παρούσα εργασία με ανάπτυξη πρωτότυπων μεθοδολογιών, περιλαμβάνουν: • Ανάλυση τάσεων σε πολλαπλά ρηγματωμένες κατασκευές και υπολογισμό συντελεστών έντασης τάσεων στις ρωγμές • Πρόβλεψη έναρξης και διάδοσης ρωγμών • Πρόβλεψη συνένωσης ρωγμών και εναπομένουσας αντοχής Για την ανάλυση τάσεων και τον υπολογισμό των συντελεστών έντασης τάσεων σε πολλαπλά ρηγματωμένα δομικά στοιχεία με ή χωρίς ενισχύσεις (stiffeners) αναπτύσσονται στη βάση της τεχνικής της υπο-μοντελοποίησης της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων (ΠΣ) κατάλληλα υπερ-στοιχεία (super-elements) για τη μοντελοποίηση των κρίσιμων τμημάτων της κατασκευής. Η μεθοδολογία υπερ-στοιχείων επιλέγεται στην παρούσα εργασία, με σκοπό τη σημαντική μείωση του υπολογιστικού κόστους σε σχέση με τις κλασικές μεθόδους των πεπερασμένων στοιχείων, έτσι ώστε να καταστεί πρακτικά δυνατή η επίλυση του πολύπλοκου αυτού προβλήματος. Το πρόβλημα της δημιουργίας νέων ρωγμών λόγω κόπωσης σε κάποιο δομικό στοιχείο παρουσιάζει έντονα πιθανοθεωρητικό χαρακτήρα. Για την αντιμετώπισή του αναπτύσσεται μεθοδολογία σύμφωνα με την οποία η πιθανότητα να εμφανιστεί μια ρωγμή σε κάποιο σημείο μετά από ορισμένο αριθμό κύκλων φόρτισης εξαρτάται τόσο από την τάση που αναπτύσσεται στο σημείο αυτό όσο και από την πιθανότητα ύπαρξης τοπικών ατελειών του υλικού στο υπό εξέταση σημείο. Για την εφαρμογή της μεθοδολογίας χρησιμοποιούνται στατιστικά δεδομένα που προέρχονται από πειράματα κόπωσης απλών δοκιμίων. Για την εκτίμηση της εναπομένουσας αντοχής ενός πολλαπλά ρηγματωμένου δομικού στοιχείου αναπτύσσεται ένα ενεργειακό κριτήριο συνένωσης ρωγμών. Το κριτήριο βασίζεται της μεταβολής της ενέργειας παραμόρφωσης που λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια της αστοχίας του υλικού που συνδέει δύο παρακείμενες ρωγμές. Τέλος, τα μοντέλα έναρξης, διάδοσης και συνένωσης ρωγμών συνδυάζονται σε μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της εξέλιξης της πολλαπλής βλάβης κόπωσης. Η αποτελεσματικότητα της μεθόδου επαληθεύεται με τη βοήθεια πειραμάτων κόπωσης πολλαπλά ρηγματωμένων δοκιμίων. / Structural integrity degradation of aeronautical structures due to fatigue, as well as its assessment, represents a major problem of aeronautics. This problem, combined to the fact that numerous aircrafts that have already exceeded their initial design operational life are still in service, led the international scientific community and the aeronautical industry to the in-depth study of aging aircraft. The main problem of an aging aircraft structure is widespread fatigue damage at various areas of the structure, that increase the probability of catastrophic failures. Riveted joints of fuselage or wing panels are areas of high stress concentration and corrosion, therefore, sites susceptible to multiple cracks development. The state of multiple interacting cracks existence at the same structural element is called Multiple Site Damage (MSD) and leads to residual significant strength reduction and structural integrity degradation of the structure. Study and handling of multiple site damage problem is an important research field, as it involves a number of different interacting phenomena, such as crack initiation, propagation and link-up and final structural failure under MSD conditions, as well as the effect of environmental factors like corrosion on the material behaviour. The aim of the present work is the development of an integrated methodology for the prediction of MSD evolution at aeronautical structural elements, in order to make feasible the assessment of their structural integrity throughout their service life. The technological issues that are faced in the frame of the present work by the development of innovative methodologies are: • Stress analysis and stress intensity factors calculation of structures under MSD condition. • Crack initiation and propagation prediction. • Prediction of crack link-up and residual strength. For the stress analysis and stress intensity factor calculation of un-stiffened of stiffened structural elements suitable super-elements are developed for the simulation of crucial structural elements. The super-element methodology is based on finite element sub-structuring technique and, in the present work, is chosen in order to obtain a significant reduction of computation cost with compared to the classical finite element method, so that handling of such complex problems becomes feasible. Fatigue crack initiation at a structural element is a problem exhibiting a strongly stochastic character. A crack initiation prediction methodology is developed according to which the probability of crack initiation at a site of the structure depends on the local stress state combined to a stochastic (random) variation of the fatigue strength at every site susceptible to crack initiation. For the methodology application statistical data from simple fatigue tests are used. For the crack link-up and the residual strength estimation of a multiple cracked structural element an energy-based link-up criterion is developed. The proposed criterion is based on the strain energy variation during the failure of the ligament of two adjacent cracks. Finally, the initiation, propagation and link-up models are combined and implemented in an integrated methodology that can be used for the assessment of multiple site damage evolution. The effectiveness of the methodology is validated using suitable fatigue tests of multiple-site damaged panels.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης της θερμικής κόπωσης στη μηχανική συμπεριφορά κοκκωδών συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας ενισχυμένης με κόκκους ελαιοπυρήνα υπό μορφή σκόνης. Τα σύνθετα υλικά που κατασκευάσθηκαν μελετήθηκαν πειραματικά και τα αποτελέσματα αναλύθηκαν και προβλέφθηκαν θεωρητικά. Αρχικά πραγματοποίηθηκε η κατασκευή των συνθέτων υλικών σε διάφορες περιεκτικότητες σε κόκκους ελαιοπυρήνα. Από τον μηχανικό χαρακτηρισμό με στατικά πειράματα κάμψης τριών σημείων όλων των συνθέτων υλικών που κατασκευάστηκαν, διαπιστώθηκε η ενισχυτική ικανότητα του ελαιοπυρήνα σε μορφή σκόνης όταν αυτή χρησιμοποιείται ως υλικό ενίσχυσης για την κατασκευή συνθέτων υλικών. Ενώ, στη συνέχεια μελετήθηκε και η επίδραση της θερμικής κόπωσης στη μηχανική συμπεριφορά των συνθέτων υλικών που κατασκευάστηκαν. Τέλος, εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικά μοντέλα πρόβλεψης του μέτρου ελαστικότητας συναρτήσει της περιεκτικότητας καθώς και της εναπομείνουσας αντοχής και δυσκαμψίας συναρτήσει των κύκλων θερμικής κόπωσης και έγινε σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τις αντίστοιχες προβλέψεις. Από τη σύγκριση αυτή παρατηρούμε ότι τα θεωρητικά μοντέλα που εφαρμόστηκαν που είναι το Μ.P.M (Modulus Predictive Model) και το R.P.M (Residual Properties Model) έδωσαν πολύ καλές προβλέψεις για την μεταβολή των ιδιοτήτων. Σαν γενικό συμπέρασμα από την παρούσα εργασία προκύπτει το γεγονός ότι το φθηνό και ελαφρύ υλικό του ελαιοπυρήνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σαν υλικό ενίσχυσης ρητινών με πολύ καλά αποτελέσματα ενίσχυσης. / The aim of the present master thesis is to investigate the effect of thermal fatigue on the mechanical properties of particulate composites reinforced with olive pit’s powder. The composites materials that have been manufactured were investigated both; experimentally and theoretically. First, we manufactured composites reinforced with olive pits at different volume fractions of the filler particles. From the mechanical characterization of the materials investigated by means of static three-point bending experiments. It was found that the olive pits can reinforce the mechanical properties of composites materials when used as reinforced fillers. Next, the effect of thermal fatigue on the mechanical behaviour of the composites materials was investigated and theoretical predictions for their properties with and without thermal fatigue were made. More precisely, the Μ.P.M (Modulus Predictive Model) and the R.P.M (Residual Properties Model) models have been applied. A fair aggreement between experimental findings and theoretical predictions was found in all cases.

Τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται σε μία ευρεία γκάμα της παγκόσμιας βιομηχανίας, στην αεροναυπηγική, στις μεταφορές, στα αθλητικά είδη και πιο πρόσφατα στις υποδομές. Αναλόγως των εφαρμογών αξιοποιούνται και αντίστοιχης ποιότητας σύνθετα υλικά διότι το κύριο μέλημα είναι η μείωση του συνολικού κόστους της κατασκευής. Η μείωση του κόστους, προφανώς, δεν έρχεται από τα ίδια τα υλικά, αφού είναι πιο ακριβά από τα αντίστοιχα που χρησιμοποιούνται τώρα, αλλά από την αξιοποίηση τους σε ένα μακροχρόνιο σχέδιο. Για τους λόγους αυτούς γίνεται όλο ένα και μεγαλύτερη χρήση των σύνθετων υλικών. Παρόλα τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν τα σύνθετα υλικά εμφανίζουν πολύ σοβαρά προβλήματα. Ένα κύριο πρόβλημα το οποίο αφορά την χρήση τους είναι ο προσδιορισμός της αντοχής τους όταν υποβάλλονται σε διάφορες καταπονήσεις. Παρατηρείται λοιπόν η μεγάλη ανάγκη που υπάρχει για την μελέτη των σύνθετων υλικών και για το λόγο αυτό υπάρχουν εξειδικευμένα εργαστήρια στα οποία μελετώνται οι μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών. Όμως, πέραν των ενδογενών μηχανικών ιδιοτήτων που εμφανίζουν τα σύνθετα υλικά υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που χρίζουν μελέτης όπως για παράδειγμα η επίδραση της θερμοκρασίας, της υγρασίας κ.α. Τα σύνθετα υλικά που αξιοποιούνται είναι με ενίσχυση συνεχών ινών και με μήτρα από πολυμερές σε ψευδοϊσότροπη "quasi-isotropic" διαστρωμάτωση. Τα εκάστοτε δοκίμια υφίστανται εναλλασσόμενη φόρτιση μέχρις ότου εμφανίσουν αστοχία. Για την διαδικασία της κόπωσης ορίζονται πειραματικά οι τιμές της συχνότητας ταλάντωσης και της μέγιστης εφαρμοζόμενης τάσης. Όλα τα δοκίμια, κατά την διάρκεια της κόπωσης, υφίστανται μόνο τάσεις εφελκυσμού. Η μελέτη της θερμοκρασίας πραγματοποιήθηκε μέσω παθητικής θερμογραφίας. Η παθητική θερμογραφία εξετάζει τα υλικά και τις δομές που σε φυσιολογικές συνθήκες παρουσιάζουν διαφορετική (συχνά υψηλότερη) θερμοκρασία από το περιβάλλον. Η παθητική θερμογραφία είναι ευρέως χρησιμοποιούμενη σε πλήθος εφαρμογών της βιομηχανίας, της προληπτικής συντήρησης, ιατρικής, δασικής πυρανίχνευσης, γεωργίας, βιολογίας, ανίχνευσης αερίων. Σε όλες αυτές τις εφαρμογές, εντοπίζονται ασυνήθιστες θερμοκρασίες σε σχέση με το περιβάλλον και υποδεικνύουν σημεία που πιθανόν χρήζουν προσοχής. Στην παρούσα εργασία έγινε χρήση μίας πειραματικής διάταξης που είναι σε θέση να προκαλεί καταπόνηση στα σύνθετα υλικά και με τη βοήθεια υπέρυθρης κάμερας κατέστη δυνατή η απόκτηση θερμικών εικόνων των σύνθετων υλικών κατά την διάρκεια της καταπόνησης τους. Οι εικόνες αυτές αναπαριστούν την χωρική κατανομή της θερμοκρασίας του δείγματος και όχι μόνο της επιφάνειας. Οι θερμικές εικόνες υπέστησαν ειδική επεξεργασία για την εξαγωγή χαρακτηριστικών με σκοπό να οδηγήσουν σε συμπεράσματα ικανά να ερμηνεύουν την συμπεριφορά της θερμοκρασίας. Τελικά, μέσω της μελέτης της συμπεριφοράς της θερμοκρασίας των σύνθετων υλικών υφιστάμενα κόπωση έγινε προσπάθεια για την πρόβλεψη και ανίχνευση αστοχιών σε αυτά τα υλικά. / Composite materials are used in a wide range of global industry, such as aeronautics, transportation, and more recently in infrastructure. Composites with different quality are utilized because the main concern is to reduce the total cost of construction. Cost reduction is obviously not coming from the raw materials, as they are more expensive than those used now, but by exploiting them in a long-standing plan. The technological evolution and market requirements have led to an increasing demand of composite materials. Despite the advantages of composite materials they exhibit very serious problems. A fundamental problem concerning the engineering uses of composite materials is the determination of their resistance to combined states of cyclic stress (fatigue loading). Therefore, composite materials are needed to be studied and for this reason there are specialized laboratories studying their mechanical properties. Beyond the intrinsic mechanical properties of composites materials there are also other factors that need to be studied, for example the effect of temperature, humidity etc. In this project the behavior of the temperature of composites in fatigue loading is studied. The composite materials that are utilized are fiber reinforced plastics (FPR) in "quasi-isotropic" lay-up. Each sample is going under tensile constant stress cycling until experiencing failure. For the process of fatigue loading, experimental values of the oscillation frequency and the maximum applied stress are defined. The study of the temperature of composite materials was held by passive thermography. Passive thermography tests materials and structures which are naturally at different (often higher) temperature than ambient temperature. Important applications of passive thermography are in production, predictive maintenance, medicine, fire forest detection, building thermal efficiency survey programs, road traffic monitoring, agriculture and biology, medicine, detection of gas (by mean of absorbing tracer gas) and in nondestructive testing (NDT). In all these applications, abnormal temperature profiles indicate a potential problem that needs to be taken care of. In this project an experimental setup was developed which is capable of a) causing specific fatigue loading to the samples and b) obtaining thermal images of them during their fatigue loading. These images represent the spatial distribution of the sample temperature, not just the temperature of their surface. Also, these thermal images were specially processed for feature extraction in order to lead to conclusions capable of interpreting the behavior of temperature. Eventually, an effort was made to anticipate and discover failures in composites through the study of the behavior of the temperature that they develop.