- / -

Ο σκοπός της παρούσης διδακτορικής διατριβής ήταν η θεωρητική και πειραματική μελέτη της επίδρασης της αναπτυσσόμενης βλάβης που προέρχεται από διαφορετικές αιτίες στην μηχανική συμπεριφορά συνθέτων υλικών. Οι πηγές βλάβης που μελετήθηκαν ήταν: 1.Υγροθερμική Κόπωση 2. Θερμική Κόπωση 3. Ύπαρξη κεντρικής κυκλικής οπής διαφορετικών διαμέτρων ή εγκοπής διαφορετικών μηκών 4. Διαφορετικοί ρυθμοί παραμόρφωσης 5. Ερπυσμός και επανάταξη, και 6. Συνδυασμός των παραπάνω, όπως: ερπυσμός μετά από υγροθερμική ή θερμική κόπωση, ερπυσμό σε διαφορετικές θερμοκρασίες και χρονικές διάρκειες. Τα σύνθετα υλικά που μελετήθηκαν ήταν κοκκώδη, ινώδη και τύπου σάντουιτς σύνθετα υλικά. Για την καλύτερη μελέτη της μηχανικής και βισκοελαστικής συμπεριφοράς των συνθέτων υλικών, εφαρμόστηκε ένας σημαντικός αριθμός θεωρητικών μοντέλων, όπως είναι: 1. Το μοντέλο των τεσσάρων παραμέτρων. 2. Το μοντέλο των τριών παραμέτρων. 3. Το μοντέλο εναπομένουσων ιδιοτήτων, RPM. 4. Το θεωρητικό μοντέλο ανάλυσης των διεπιφανειακών ιδιοτήτων σε σάντουιτς υλικά. 5. Το μοντέλο πρόβλεψης βισκοελαστικής συμπεριφοράς στη μη γραμμική περιοχή. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παραπάνω μελέτη ήταν ιδιαίτερα ενδιαφέροντα. / The aim of the present investigation is to study not only experimentally but also theoretically the effect of damage due to different damage sources, which analytically are: a) hygrothermal fatigue, b) thermal fatigue, c) the existence of central hole (with different diameters) or notch (with different lengths), d) creep and relaxation, e) different stain rates and f) combination of the previous such as creep after hygrothermal or thermal fatigue and creep on different temperatures and time, on the mechanical and viscoelastic behavior of composites materials (reinforced with fibers and grains ), sandwich structures and different types of resin. For the better observation of the mechanical and viscoelastic behavior of composites materials, it was applied several theoretical models, which are: a) The four parameter model, b) the three parameter model, c) the RPM model (Residual Property Model) for the prediction of the residual mechanical properties of materials after damage from different sources, d) the theoretical model for the analysis of interfacial properties of sandwich structures and e) the viscoelastic model for the determination of the non elastic properties of composites material in function of the applied stress. From the present investigation useful conclusions were conducted for the determination of the mechanical behavior of composites materials (reinforced with fibres and grains or sandwich structures). In addition, the experimental results of this study were in great deal with those results of the application of the already mentioned theoretical models.

- / -

Η διπλωματική αυτή εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της μεθόδου Ilizarov καθώς και το σχεδιασμό, την κατασκευή και τον έλεγχο ενός ισοδύναμου με ένα βαθμό ελευθερίας του πλαισίου Taylor στοιχείου δράσης, του οποίου η ενεργοποίηση επιτυγχάνεται με τη χρήση έξυπνων υλικών και συγκεκριμένα μεταλλικών κραμάτων με μνήμη της μορφής (SMA). Πρωτεύον μέλημά μας αποτελεί η μελέτη των γενικών χαρακτηριστικών της εξωτερικής σταθεροποίησης και η κατανόηση της μεθόδου Ilizarov με τη χρήση του πλαισίου Taylor (Κεφάλαιο 2). Ακολούθως, κάνουμε λόγο για τους ενεργοποιητές που χρησιμοποιούνται στη διάταξή μας, αναλύοντας εκτενώς τις ιδιότητες των κραμάτων με μνήμη της μορφής και πιο συγκεκριμένα των κραμάτων NiTi (Κεφάλαιο 3). Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα προηγούμενα, είμαστε σε θέση να προχωρήσουμε στην υλοποίηση μίας κατασκευής που προσομοιώνει ένα βαθμό ελευθερίας του πλαισίου Taylor και η οποία ενεργοποιείται από τα παραπάνω έξυπνα υλικά. Πειράματα ανοικτού και κλειστού βρόχου ελέγχου της διάταξης εκτελούνται εν συνεχεία με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή (Κεφάλαιο 4). Τέλος, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και οι προοπτικές της εν λόγω εργασίας (Κεφάλαιο 5). / The present diplomatic work consists of the study of Ilizarov method as well as the planning, the construction and the control of one out of six degrees of freedom of a Taylor platform. The activation of the experimental provision is achieved with the use of intelligent material and concretely shape memory alloys (SMA). Our first concern is the study of the general characteristics of the exterior stabilization of the bones and the comprehension of Ilizarov method using the Taylor platform (Chapter 2). Followingly, we deal with the activators that are used in our provision, analyzing extensively the attributes of shape memory alloys and more concretely the alloys NiTi (Chapter 3). Taking into consideration all the above, we are in position to advance in the concretisation of a structure that simulates one degree of freedom of the Taylor platform and is activated by the SMA. We executed control experiments using LabView in an open and closed loop in order to test the provision (Chapter 4). Finally, are presented the conclusions and the prospects of this project (Chapter 5.)

Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας ειδίκευσης είναι η πειραματική μελέτη και η θεωρητική πρόβλεψη των εναπομενουσών μηχανικών ιδιοτήτων, πολυμερών και πολυμερικών σύνθετων υλικών, μετά από χαμηλής ενέργειας επαναλαμβανόμενη κρουστική καταπόνηση. Στα πλαίσια της εργασίας μελετήθηκαν δύο διαφορετικά πολυμερικά υλικά (EP και PMMA) και δύο πολυμερικά σύνθετα υλικά (CFRP και GFRP). Τα δοκίμια από εποξειδική ρητίνη υποβλήθηκαν σε επαναλαμβανόμενη κρούση, με σταθερή ενέργεια κρούσης κάθε φορά, 1.25 Joule, ενώ τα υπόλοιπα δοκίμια σε επαναλαμβανόμενη κρούση, με σταθερή ενέργεια κρούσης 1 Joule. Μετά την κρούση, τα δοκίμια χαρακτηρίστηκαν μηχανικά με στατικά πειράματα κάμψης τριών σημείων, έτσι ώστε να μελετηθεί η υποβάθμιση, τόσο του μέτρου ελαστικότητας σε κάμψη, όσο και η μέγιστη αντοχή τους σε κάμψη, σαν συνάρτηση του αριθμού κρούσεων. Ανάλογα με το υλικό, παρατηρήθηκε και διαφορετικό μέγεθος υποβάθμισης, γεγονός που οφείλεται στη λειτουργία διαφορετικών μηχανισμών αστοχίας. Από θεωρητικής σκοπιάς, εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικά μοντέλα πρόβλεψης των εναπομενουσών μηχανικών ιδιοτήτων. Το μοντέλο Παπανικολάου – Σταυρόπουλου και το μοντέλο Πρόβλεψης των Εναπομενουσών Ιδιοτήτων (Residual Property Model – R.P.M.) που εφαρμόστηκαν, έδωσαν αποτελέσματα άκρως ικανοποιητικά, με πολύ καλή σύγκλιση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τις θεωρητικές προβλέψεις. / The purpose of the present work was to experimentally investigate the residual strength and stiffness of polymers and polymer-matrix composites and to theoretically predict the observed degradation by means, after low energy repeated impact. Two different types of composites (CFRP and GFRP) and two types of polymers (EP and PMMA), were examined. The plates of epoxy resin were repeatedly impacted with constant amount of impact energy on the order of 1.25 J and the rest of the above materials with constant impact energy on the order of 1.00 J. Afterwards the damaged specimens were tested under three-point bending conditions in order to investigate the degradation of both the bending modulus and strength as a function of the number of impacts. The results showed that there is a characteristic threshold of impact accumulated energy and/or number of repeated impacts, above which an abrupt degradation of the mechanical properties was observed. From theoretical point of view the measured variations were predicted by applying two different models. Namely, the Papanicolaou – Stavropoulos model and second the Residual Property Model (R.P.M.) have been applied in order to predict the observed degradations, using a minimum number of input data (one or two points only). A fair agreement between experimental results and theoretical predictions was found.

Στη διπλωματική αυτή εργασία γίνεται μελέτη της τεχνικογεωλογικής συμπεριφοράς βραχωδών σχηματισμών για την καταλληλότητά τους και την χρήση τους ως αδρανή υλικά σε έρμα σιδηροδρομικών γραμμών ταχείας κυκλοφορίας. / -

Στην πτυχιακή αυτή εργασία μελετάται η συμεριφορά των βραχωδών σχηματισμών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αδρανή υλικά για έρμα σιδηροδρομικών γραμμών ταχείας κυκλοφορίας. / -

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. / --

Η μόνωση αποτελεί ακρογωνιαίο λίθο για κάθε σύστημα και εξοπλισμό Υψηλής Τάσης που χρησιμοποιείται σε τεχνικές κατασκευές και βιομηχανικές εφαρμογές, αφού με την αντοχή της εξασφαλίζεται η εύρυθμη λειτουργία τους. Στο σύγχρονο εξοπλισμό Υ.Τ. επιβάλλεται αύξηση της αποτελεσματικότητας της μόνωσης και ταυτόχρονη μείωση στις διαστάσεις του εξοπλισμού, λαμβάνοντας υπόψη τις αυξημένες περιβαλλοντικές απαιτήσεις της εποχής μας. Οι ιδιότητες των διαθέσιμων ηλεκτρομονωτικών υλικών προδιαγράφουν τα όρια των εφαρμογών και τις δυνατότητες για την περαιτέρω πρόοδο της τεχνολογίας. Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η εξομοίωση και γραφική αναπαράσταση των ηλεκτροστατικών πεδίων μέσα σε διάφορα ηλεκτρομονωτικά στερεά και υγρά υλικά, που χρησιμοποιούνται στον εξοπλισμό Υ.Τ. Επίσης επιδιώκεται ο προσδιορισμός της μέγιστης εφαρμοζόμενης τάσης (DC) για την οποία δεν έχουμε έναυση φαινομένου διάσπασης. Οι εξομοιώσεις πραγματοποιούνται για μη ομογενές και ομογενές πεδίο, και γι αυτό σχεδιάσαμε και χρησιμοποιήσαμε 2 είδη διατάξεων, ακίδας – πλάκας και ηλεκτροδίων Rogowski αντίστοιχα. Για τις εξομοιώσεις έγινε χρήση του προγράμματος Vector Fields Opera 13.0 της Cobham. Στο 1ο κεφάλαιο, ερχόμαστε σε επαφή με τις βασικές ιδιότητες των ηλεκτρομονωτικών υλικών και τις συσχέτισή τους με τα χαρακτηριστικά των ηλεκτρικών πεδίων. Οι ιδιότητές τους μας δίνουν τη δυνατότητα να κρίνουμε την ποιότητα των μονωτικών και τους παράγοντες που την επηρεάζουν. Επίσης, παρουσιάζονται τα θεωρητικά μοντέλα των διατάξεων που χρησιμοποιήσαμε στις εξομοιώσεις. Στο 2ο κεφάλαιο, γίνεται μια σύντομη αναφορά στις μεθόδους υπολογισμού ηλεκτροστατικών πεδίων, με χρήση Η/Υ και μη, ενώ παρουσιάζεται αναλυτικά η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων, καθώς σε αυτή βασίζεται το πρόγραμμα Opera, που χρησιμοποιήσαμε για τις εξομοιώσεις. Στο 3ο κεφάλαιο, γίνεται μια γενική προσέγγιση στα μονωτικά υλικά και τα κριτήρια που λαμβάνονται υπόψη για την επιλογή τους. Στο 4ο κεφάλαιο, στην ενότητα Α, περιγράφονται εκτενώς τα στερεά μονωτικά σε θεωρητική βάση, παρουσιάζονται οι διάφοροι μηχανισμοί διάσπασης τους και αναφέρονται οι παράγοντες που επηρεάζουν τη διηλεκτρική αντοχή τους, ενώ γίνονται και κάποια σχόλια πάνω στο συνδυασμό τους με τα υγρά μονωτικά. Επιπλέον, γίνεται μια σύντομη αναφορά στα πολυμερή υλικά και τη χρήση τους στον εξοπλισμό Υ.Τ. Στην ενότητα Β, δίνεται μια σύντομη περιγραφή των υλικών που χρησιμοποιήσαμε (PE, BA, PVC, PMMA) και παραθέτονται οι γραφικές αναπαραστάσεις των ηλεκτροστατικών πεδίων που εξομοιώσαμε, καθώς και τα αποτελέσματα των μετρήσεων και παρατηρήσεων μας. Στο 5ο κεφάλαιο, στην ενότητα Α, γίνεται εκτενής περιγραφή των υγρών μονωτικών υλικών και των μηχανισμών διάσπασής τους. Επίσης, αναλύεται η επίδραση διαφόρων παραγόντων στη διηλεκτρική αντοχή των υγρών μονωτικών, ενώ γίνεται αναφορά στα έλαια μετασχηματιστή και τα συνθετικά έλαια. Στην ενότητα Β, δίνονται εν τάχει κάποια χαρακτηριστικά του μονωτικού ελαίου που χρησιμοποιήσαμε στην εξομοίωση. Έπειτα, παραθέτονται αναλυτικά οι γραφικές αναπαραστάσεις των ηλεκτροστατικών πεδίων που εξομοιώσαμε, και για τις διάφορες τιμές εφαρμοζόμενης τάσης παρατηρήσαμε αν συμβαίνει έναυση διάσπασης, ενώ εξάγαμε αποτελέσματα και για άλλες παραμέτρους. Στο 6ο κεφάλαιο, δίδονται κάποια γενικά σχόλια και παρατηρήσεις πάνω στις εξομοιώσεις που πραγματοποιήσαμε. Τέλος, στο Παράρτημα παραθέτονται αναλυτικά οι πιο εύστοχες εξομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν και οδήγησαν στην εξαγωγή των αποτελεσμάτων. / Insulation is the cornerstone of every system and High Voltage equipment used in technical constructions and industrial applications, since its resistance ensures the proper operation of the equipment. In modern High Voltage equipment, improvement of the efficiency of the insulation is imposed, along with the reduction of the equipment’s volume, considering the high environmental demands of our times. The properties of the available nonconductive materials prescribe the limitations of applications and the possibilities for further technological progress. The purpose of this thesis is to simulates and graphically represent electrostatic fields in various nonconductive solid and liquid materials used in High Voltage equipment. We also made an effort to define the maximum applied voltage (DC) for which a breakdown phenomena does not occur. Simulations are realized for non homogenous and homogenous fields, therefore we designed and used two types of structures, point – to – plane and Rogowski electrodes, respectively. The simulations are done using the Cobham Vector Fields Opera 13.0 modeling software. In chapter 1, we have a first contact with the principle characteristics of nonconductive materials and their relation with the properties of electric fields. These characteristics provide the ability to measure the quality of the insulators and the factors that affect them. In addition, the theoretical models used for the simulation are presented. In chapter 2, there is a short reference to the methods used for the calculation of electrostatic fields (PC based and not), while the finite element method is thoroughly described, since it is used by the Opera simulation program. In chapter 3, there is a general approach on nonconductive materials and the criteria considered for their selection. In chapter 4, section A, solid nonconductive materials are extensively described on a theoretical basis, different breakdown mechanisms are presented and factors that affect their dielectric strength are referred, while some comments on their combination with liquid materials are made. Furthermore, polymers and their use in High Voltage equipment are discussed in a few words. In section B, the materials we used (PE, BA, PVC, PMMA) are shortly described and the graphic representations of the field simulated are shown, along with the results of measurement and observations. In chapter 5, section A, liquid nonconductive materials and their breakdown mechanisms are extensively described. The effect of several factors on the dielectric strength of liquid nonconductive materials is also presented, while a reference on transformer and synthetic oils is made. In section B, the characteristics of the nonconductive oil used for the simulation are referred. Then, the graphic representations of the electrostatic fields simulated are shown and for the different levels of applied voltage, we observed if any breakdown phenomena occurred, while results for other parameters are extracted. In chapter 6, some general commentaries, notes and conclusions are made for the simulations realized. Finally, in the Index chapter, are listed the most accurate simulations, that led us to the extraction of the results.

The scope of this project is the realization of composite and hybrid sub-aerostructures which exhibit superior blast performance compared to reference composite and hybrid substructures. The scope will be fulfilled with minimum weight penalty. Within the scope of this work is to provide a roadmap for the integration of explicit hardening measures for blast in future aerospace structural components. In the case of blast loading, the proposed methodology for achieving these aims involves vulnerability analysis of the composite and the hybrid substructures (scaled fuselage substructure). The vulnerability analysis will be based on numerical results, obtained by the systematic, analysis of the coupled blast / structural problem. The aims and objectives of the present project can be summarized as follows: • Development of numerical models and their correlation against experimental results. • Development of numerical tools for blast vulnerability analysis of composite and hybrid aeronautic structures • Blast vulnerability map of composite and hybrid scaled fuselage substructure for different charge locations • Explicit blast hardening strategies of composite and hybrid aerostructures by design and by novel materials / Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη αεροπορικών κατασκευών από σύνθετα υλικά όπου θα παρουσιάζουν βελτιωμένες ιδιότητες υπό συνθήκες έκρηξης σε σύγκριση με υπάρχουσες αντίστοιχες κατασκευές.Ο στόχος αυτός επετεύχθη με ελάχιστη προσθήκη βάρους. Μέσα στους στόχους της παρούσας διατριβής είναι να παρέχει μια μεθοδολογία για την προσθήκη μέσων προστασίας για τις μελλοντικές αεροπορικές κατασκευές.