Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η παρουσίαση των σταδίων της πιο γενικής από τις παθητικές μεθόδους τρισδιάστατης ανακατασκευής στατικών σκηνών, της δομής από κίνηση. Εκτός της χρήσης στερεοσκοπικών ζευγών εικόνων για την δημιουργία πυκνών χαρτών βάθους, παρουσιάζεται και η περίπτωση χρήσης παράλληλων εικόνων, που αποτελούν την καλύτερη λύση σε περιπτώσεις που η κύρια συνιστώσα της κίνησης της κάμερας είναι παράλληλη στον οπτικό της άξονα. Επίσης, παρουσιάζεται μια πρωτότυπη γεωμετρική μέθοδος διόρθωσης των εικόνων τόσο για την δημιουργία στερεοσκοπικών ζευγών, όσο και για την περίπτωση των παράλληλων εικόνων. Σε κάθε στάδιο της όλης διαδικασίας, περιγράφονται οι μέθοδοι εκείνες που θεωρούνται οι αντιπροσωπευτικότερες της κατηγορίας τους. / The purpose of this paper is to present the phases of the most general passive method of three dimensional reconstruction of static scenes,called structure from motion.Besides using stereo images as the final result of image rectification; we examine the case of using parallel images that represent the best solution in cases where the main component of the camera motion is parallel to the optical axis. Also we show an original geometric correction method of images both for generating stereo pairs and parallel images pairs. At each stage of the process we describe some of the known methods that can be considered representative of their class.

Objective of the present study is the development of design methods for the control of products’ architecture in order to obtain modular designs. Towards this target, an integrated approach is proposed, investigating the design architecture from two aspects: the -functions to parts- mapping as well as the point of view related to parts’ interactions. For the first aspect, an approach utilizing Axiomatic Design Theory is described in order to control the design architecture with regards to the -functions to parts- mapping. As far as the second aspect is concerned, two indexes are developed quantifying the design architecture in terms of the parts’ interactions perspective. Furthermore, an algorithm for clustering of product’s parts into clusters/modules is introduced. The algorithm utilizes Artificial Neural Networks (ANNs) and Design Structure Matrices (DSMs). The aforementioned developments were incorporated into a CAD based software tool, having as objective the support of modular design. Its main functions are: (a) DSM generation from product CAD model, (b) calculation of the aforementioned indexes, (c) facilitation of clustering and (d) representation of clustered DSM in CAD form. Application of the tool to real case studies from the automotive industry, provide an evaluation of the developed methods. The main outcome of the present work is the integrated approach that was proposed and realized through the software tool, which integrates methods for the handling of a product’s design architecture. This process assists in real time (during the design process) design engineers to the generation of modular designs. The evaluation of the case studies reveals the efficiency of the proposed approach to produce such designs and validates its applicability to industry. / Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθόδων για τον έλεγχο της σχεδιαστικής αρχιτεκτονικής των προϊόντων. Για το σκοπό αυτό προτείνεται μια ολοκληρωμένη προσέγγιση η οποία διερευνά τη σχεδιαστική αρχιτεκτονική και από τις δύο της διαστάσεις: την αντιστοίχιση των λειτουργιών του προϊόντος στα μέρη από τα οποία αποτελείται καθώς και την αλληλεπίδραση που έχουν τα μέρη αυτά μεταξύ τους. Για τη πρώτη διάσταση, προτείνεται ένας τρόπος χρησιμοποίησης της Θεωρίας του Αξιωματικού Σχεδιασμού (Axiomatic Design Theory) ώστε να γίνεται έλεγχος της σχεδιαστικής αρχιτεκτονικής ως προς την αντιστοίχιση των λειτουργιών στα μέρη του προϊόντος. Όσον αφορά τη δεύτερη διάσταση, αναπτύσσονται δύο δείκτες οι οποίοι ποσοτικοποιούν την σχεδιαστική αρχιτεκτονική που αφορά τη δομή των αλληλεπιδράσεων των τμημάτων του προϊόντος. Επίσης, εισάγεται ένας αλγόριθμος για την ομαδοποίηση (clustering) των μερών ενός προϊόντος. Ο αλγόριθμος αυτός χρησιμοποιεί Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα και πίνακες DSM (Design Structure Matrix). Οι παραπάνω μέθοδοι ενσωματώθηκαν σε ένα λογισμικό εργαλείο που αναπτύχθηκε. Το εργαλείο αυτό συνεργάζεται με προγράμματα CAD και έχει ως στόχο την στήριξη του ομαδοποιημένου σχεδιασμού. Οι βασικές του λειτουργίες είναι η δημιουργία του πίνακα DSM ενός προϊόντος χρησιμοποιώντας το αντίστοιχο σχέδιο CAD, ο υπολογισμός των προαναφερθέντων δεικτών, η διευκόλυνση της διαδικασίας ομαδοποίησης καθώς και η αναπαράσταση σε CAD ενός ομαδοποιημένου πίνακα DSM. Μέσω της εφαρμογής του εργαλείου αυτού σε πραγματικές περιπτώσεις της αυτοκινητοβιομηχανίας, πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν. Το κυριότερο αποτέλεσμα της εργασίας είναι η ολοκληρωμένη λύση που προτάθηκε και υλοποιήθηκε μέσω ενός λογισμικού εργαλείου, η οποία ενσωματώνει μεθόδους ελέγχου της σχεδιαστικής αρχιτεκτονικής προϊόντων. Η λύση αυτή βοηθάει σε πραγματικό χρόνο (κατά τη διάρκεια της σχεδιαστικής διαδικασίας) τους σχεδιαστές μηχανικούς, στη δημιουργία καινοτόμων σχεδιασμών. Η αξιολόγηση των περιπτώσεων της αυτοκινητοβιομηχανίας έδειξε την δυνατότητα της προτεινόμενης λύσης να παράγει τέτοιους σχεδιασμούς και επικύρωσε την εφαρμοσιμότητά της σε βιομηχανικό περιβάλλον.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνει ένα εννοιολογικό πλαίσιο σχεδιασμού μαθησιακών αντικειμένων το οποίο εμφορείται από την Κοινωνική Σημειωτική και από τη Θεωρία της Ρητορικής Δομής. Προτείνεται μια θεώρηση των μαθησιακών αντικειμένων ως πολυτροπικών ψηφιακών κειμενικών μακρο-ειδών τα οποία αποτελούνται από ψηφιακά κειμενικά μικρο-είδη. Η οργάνωση του μαθησιακού περιεχομένου μοντελοποιείται μέσα από διάφορα συστημικά δίκτυα τα οποία αναπαριστούν τις σχεδιαστικές επιλογές του δημιουργού των μαθησιακών αντικειμένων. Με αυτό το σημειωτικό πλαίσιο στη διάθεσή του ένας δημιουργός μαθησιακών αντικειμένων μπορεί να εξοπλιστεί με τα εννοιολογικά εκείνα εργαλεία τα οποία θα του επιτρέψουν: α) να δημιουργήσει ή να χρησιμοποιήσει διάφορους τύπους κειμενικών μικρο-ειδών σύμφωνα με τις επικοινωνιακές λειτουργίες που αυτά εξυπηρετούν, β) να συνδέσει μεταξύ τους αυτούς τους τύπους μέσα από μια σειρά συζευκτικών σχέσεων και γ) να εκφράσει μέσα στο μαθησιακό περιεχόμενο τις επικοινωνιακές του προθέσεις απέναντι σε μια συγκεκριμένη ομάδα – στόχο χρηστών. / This thesis proposes a conceptual framework for designing learning objects which is imbued by Social Semiotics and Rhetoric Structure Theory. An outlook of learning objects as digital multimodal macrogenres composed by digital microgenres is proposed. The organization of learning content is modeled through several systemic networks which represent the design choices of the learning objects’ author. With this semiotic framework at his disposal, a learning objects’ author can be equipped with those conceptual tools that will enable him: a) to create or use different types of microgenres according to the communicative functions they serve, b) to link these types through a series of conjunctive relations and c) to express within the learning content his communicative intentions towards a particular target group of users.

Σκοπός της εν λόγω διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και η αξιολόγηση των οικονομικών καταστάσεων των αγροτικών επιχειρήσεων που δραστηριοποιούνται στο νομό Αιτωλοακαρνανίας με την χρήση χρηματοοικονομικών δεικτών. Σημαντικό στοιχείο της εργασίας αποτελεί το γεγονός ότι η χρονική περίοδος αξιολόγησης των επιχειρήσεων διαχωρίζεται με ορόσημο το διαχειριστικό έτος 2008 ώστε να έχουμε μία πλήρη εικόνα των επιχειρήσεων προ οικονομικής κρίσης και μετά. / --

Στην παρούσα διατριβή γίνεται μία μεθοδολογική συστηματική προσέγγιση του σχεδιασμού που βασίζεται στη χρήση τεχνικών της υπολογιστικής νοημοσύνης και στην εκμετάλλευση της προϋπάρχουσας διαθέσιμης σχεδιαστικής γνώσης. Προσδιορίζονται τα βασικά στοιχεία που οφείλει να ενσωματώνει η προτεινόμενη μεθοδολογία (αναπαράσταση και διαχείριση σχεδιαστικής γνώσης, αναζήτηση της βέλτιστης σχεδιαστικής λύσης και μάθηση και επαναχρησιμοποίηση σχεδιαστικής γνώσης), τα οποία σχηματίζουν τους πυρήνες γύρω από τους οποίους αναπτύσσονται αλγόριθμοι που βασίζονται στην χρήση τεχνικών υπολογιστικής νοημοσύνης (ασαφής λογική, τεχνητά νευρωνικά δίκτυα και γενετικοί αλγόριθμοι). Καθώς αναπτύσσεται η διατριβή, αναπτύσσεται η μαθηματική βάση για τη διατύπωση του παραμετρικού σχεδιαστικού προβλήματος και παρουσιάζεται ο συνεργατικός τρόπος βάσει του οποίου σχηματίζονται ασαφείς πίνακες δομής σχεδιασμού, βάσει των οποίων η διαθέσιμη σχεδιαστική γνώση οργανώνεται σε εύχρηστες ιεραρχικές δομές. Στη συνέχεια, εισάγεται ένα πλαίσιο ασαφούς συλλογιστικής για τη μοντελοποίηση από την πλευρά του σχεδιαστή των σχεδιαστικών στόχων/απαιτήσεων/περιορισμών υπό τη μορφή ασαφών προτιμήσεων. Προτείνεται επίσης το μέτρο της μέγιστης συνολικής ασαφούς προτίμησης ως κριτήριο βελτιστότητας των σχεδιαστικών λύσεων και προσαρμόζεται στην προτεινόμενη δομή οργάνωσης της σχεδιαστικής γνώσης. Η βέλτιστη σχεδιαστική λύση εξάγεται είτε μέσω μίας διαδικασίας βελτιστοποίησης που βασίζεται σε γενετικούς αλγόριθμους ή, εναλλακτικά, μέσω άλλων τεχνικών βελτιστοποίησης, ή χρησιμοποιώντας σχεδιασμό αναλογικής συλλογιστικής με ανάκτηση προηγούμενων σχεδιαστικών λύσεων. Οι σχεδιαστικές λύσεις είναι καταχωρημένες σε μία βάση και ανακτώνται χρησιμοποιώντας ένα εκπαιδευμένο ανταγωνιστικό τεχνητό νευρωνικό δίκτυο, το οποίο ομαδοποιεί τις λύσεις κατάλληλα και αποδίδει την ομάδα λύσεων που συγκλίνει προς τις τρέχουσες ασαφείς προτιμήσεις του σχεδιαστή. Στη διατριβή αναπτύσσονται και εισάγονται αρχιτεκτονικές, μέσω των οποίων οι διαδικασίες βελτιστοποίησης και ανάκτησης σχεδιαστικών περιπτώσεων συνδυάζονται υβριδικά, επιτυγχάνοντας αποτελέσματα ανώτερα σε ποιότητα και ταχύτητα επίτευξης σε σχέση με περιπτώσεις χρήσης μεμονωμένων (μη υβριδικών) τεχνικών. Εισάγεται επίσης μια μεθοδολογία σύμφωνα με την οποία οι σχεδιαστικές λύσεις που υπάρχουν στη βάση λύσεων χρησιμοποιούνται για τη νευρο-ασαφή προσέγγιση του αρχικού σχεδιαστικού προβλήματος και την απλοποιημένη μοντελοποίησή του. Αποδεικνύεται ότι η προσέγγιση αυτή είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για σχεδιαστικά προβλήματα που παρουσιάζουν σημαντικό υπολογιστικό κόστος. Στα πλαίσια της συστημικής προσέγγισης για την υλοποίηση των προτεινόμενων μεθοδολογιών και αρχιτεκτονικών και για την αξιολόγηση αυτών, αναπτύχθηκε το σύστημα παραμετρικού σχεδιασμού Case-DeSC (Case-based design with Soft-Computing), το οποίο δοκιμάστηκε σε τρία διαφορετικά σχεδιαστικά προβλήματα. Τα αποτελέσματα εφαρμογής των προτεινόμενων μεθοδολογιών, οι προοπτικές εξέλιξης αυτών, καθώς και μια γενικότερη τοποθέτηση περί σχεδιασμού συνοψίζονται στο τέλος της παρούσας διατριβής. / The current Ph.D. thesis introduces a methodogical and systematic approach in order to perform engineering design by utilizing methods and techniques of computational intelligence as well as past design knowledge. Important issues and processes, such as representation and manipulation of design knowledge, extraction of optimal design solution, learning and reuse of design knowledge etc. are analytically discussed. Each one of the aforementioned elements is considered as core around which integrated algorithms are developed that combine various computational intelligence (soft-computing) techniques such as fuzzy logic, artificial neural networks and genetic algorithms. The parametric design problem is formulated on a mathematical basis, whereas the collaborative formation of fuzzy design structure matrices (DSM) is introduced as a basis on which the available design knowledge is organized in convenient hierarchical structures. Furthermore, in order to model the design objectives/requirements/constraints, a fuzzy inference framework is introduced that facilitates the expression of fuzzy preferences on various design parameters. The metric of the total maximum fuzzy preference is introduced as optimality criterion for the design solutions and then it is integrated in the proposed design knowledge organizational structure. The optimal solution is extracted either through an optimization process basically using a genetic algorithm or -alternatively- other optimization techniques, or through deploying analogical reasoning design with retrieval of past design solutions. The design solutions are preserved in a case base and they are retrieved by a trained competitive artificial neural network, which classifies the solutions into clusters and extracts the cluster that converges to the current designer’s preferences. Multiple options are provided for the extraction of optimal solutions. These options include: a) an optimization process that utilizes genetic algorithms, b) other evolutionary optimization techniques and c) analogical reasoning with retrieval of past design solutions. The design solutions are preserved in a case (solution) base and they are retrieved by a trained competitive artificial neural network that classifies the solutions into clusters and extracts the cluster that suits best to the current designer’s preferences. Architectures are developed and introduced, based on which the optimization and case-based retrieval processes are combined. This combination provides more efficient results in terms of quality and speed, if a comparison is made versus the implementation of individual (non-hybrid) techniques. Additionally, a methodology is proposed, according to which the design solutions located in the case base can be retrieved and utilized for a simplified neuro-fuzzy approximation of the initial design problem. It is proved that this approximation is suitable in case of design problems with high computational cost. In the context of a systemic approach of implementing the proposed methodologies and architectures and their evaluation, a system named Case-DeSC (Case-based design with Soft-Computing) is developed and tested against overall performance in three different design problems. The results from the implementation of the proposed methodologies, their future enhancements and evolution, as well as a general discussion about engineering design conclude the present dissertation.

Το ερευνητικό αντικείμενο της συγκεκριμένης διατριβής αναφέρεται στην επεξεργασία έγχρωμης εικόνας με χρήση της θεωρίας γράφων, την ανάκτηση εικόνας καθώς και την οργάνωση / διαχείριση βάσεων δεδομένων με μεθόδους γραφημάτων και αναγνώρισης προτύπων, με εφαρμογή σε πολυμέσα. Τα συγκεκριμένα προβλήματα προσεγγίστηκαν διατηρώντας τη γενικότητά τους και επιλύθηκαν με βάση τα ακόλουθα σημεία: 1. Ανάπτυξη τεχνικών για την επιλογή χαρακτηριστικών από τις εικόνες βάσει χαρακτηριστικών χαμηλού επιπέδου (χρώματος και υφής), για χρήση τους σε εφαρμογές ομοιότητας και ανάκτησης εικόνας. 2. Υπολογισμός μετρικών και αποστάσεων στο χώρο των χαρακτηριστικών. 3. Μελέτη της πολυσχιδούς δομής των εικόνων μιας βάσης στο χώρο των χαρακτηριστικών. 4. Ελάττωση της διάστασης του χώρου και παραγωγή αναπαραστάσεων δύο διαστάσεων. 5. Εφαρμογή των μεθόδων αυτών σε υποκειμενικές αποστάσεις εικόνων. Η θεωρία γράφων και οι μέθοδοι αναγνώρισης προτύπων χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να παρουσιαστούν βέλτιστες λύσεις αφενός στο πρόβλημα της ανάκτησης εικόνων από βάσεις δεδομένων και αφετέρου στην οργάνωση και διαχείριση τέτοιων βάσεων εικόνων. Η διατριβή φέρνει πιο κοντά την επεξεργασία εικόνας με μεθόδους προερχόμενες από τη θεωρία γραφημάτων, τη στατιστική και την αναγνώριση προτύπων. Σε όλη τη διάρκεια της διατριβής, ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στο ζήτημα της εύρεσης του κατάλληλου συνδυασμού μεταξύ της αποτελεσματικότητας των συστημάτων και της αποδοτικότητας στα πλαίσια της εφαρμογής των προτεινόμενων αλγοριθμικών διαδικασιών. Τα αναλυτικά πειραματικά αποτελέσματα που πραγματοποιήθηκαν, αποδεικνύουν την βελτιωμένη απόδοση των προτεινόμενων μεθοδολογιών. / The subject of this doctoral thesis is related to color image processing using graph theoretic methods, image retrieval and image database management and organization in the reduced feature space, using pattern recognition analysis, with multimedia applications. The author attempted to approach the thesis subject by retaining its genericness and addressing the following points: 1. Development of techniques for extraction of image visual attributes based on low level features (color and texture information), to be used for image similarity and retrieval practices. 2. Calculation of metrics and distances in the feature space. 3. Study of the image manifolds created in the selected feature space. 4. Application of dimensionality reduction techniques and production of biplots. 5. Application of the proposed methodologies using perceptual image distances. Graph theory and pattern recognition methodologies were incorporated in order to provide novel solution to color image retrieval of image databases, as well as to image database management and organization. The current thesis brings closer image processing with graph theoretic methodologies, statistical analysis and pattern recognition. Throughout the thesis, consideration has been taken for finding the best trade off between effectiveness and efficiency when applying the proposed algorithmic procedures. The extended experimental results carried out in all stages of the projected studies reveal the enhanced performance of the proposed methodologies.

The current dissertation, titled “Fire Response of Composite aerostructures” deals with a crucial subject of the aeronautics industry that is the fire response of composite aerostructures, more specifically the issue of interest in this work is the fuselage fire burnthrough from an external liquid jet-fuel pool fire. Other fire issues that “bother” the aeronautics industry are the fire spread inside the cabin, smoke generation and toxicity of the fumes, but these are not handled in the current dissertation. Aircraft structures are designed to withstand various loading scenarios during their operational life. These loading scenarios are associated to a great extent with normal aircraft operation (flight manoeuvres, take-off and landing). However there are situations where the aircraft structures are required to assure the safety of the passengers and crew. In the case of an emergency crash landing, the threat of an external jet-fuel fire always exists. Considering that the aircraft structure survives the impact, the survivability of the passengers and crew onboard the aircraft depends solely on the fire resistance of the aircraft structure. A measure of the fire resistance of an aircraft structure is the time needed for the flames to penetrate the fuselage and spread inside the cabin, the so-called, burn-through time. So far, the aircraft fire resistance has been extensively studied by conducting lab, medium and full scale tests. The early lab scale tests were performed by the Federal Aviation Administration (FAA) and involved the Bunsen-burner flammability test of coupons for developing fire safe interior materials. As the application of polymer materials on aircrafts kept increasing, the problem of fire burn-through due to external fire emerged. Marker was one of the first to perform full-scale fuselage burn-through tests to access the insulating performance of materials. Also a statistical analysis was performed by Cherry and Warren that accessed and analyzed data from past accidents and their work resulted in proving the importance of fuselage fire hardening and the passengers’ lives that could be saved using low-cost solutions. These works led the FAA to proposed new fire testing procedures for aircraft materials. The scope of this dissertation was to assess the performance of various structural materials in a pool-fire scenario. A simplified approach is made, approximating the pool-fire conditions with a flat panel burn-through test in accordance to the ISO2685:1998(E) Standard. The originality of the present work comes from the fact that it incorporates a multistage approach in order to investigate the behaviour and response of composite aircraft structures in the possibility of a fire event. The current approach goes down on material level in order to investigate and model the deterioration (decomposition) of the polymer composite. Thus, it investigates and proposes a methodology of how the thermophysical properties of the composite are deteriorated due to the fire event. It proceeds into developing a progressive-damage material model (material properties varying with the deterioration degree) and finally implementing this custom material model into a commercial FE package and solving the loading scenarios. Being more specific the current work begins with a quick review of the literature where incidents and work done on the burnthrough event for the past 20-30 years are summarized. It progresses then to presenting the various types of polymers used in the aircraft industry and their basic decomposition mechanisms, from the unsaturated polyesters to the epoxies and phenolics and in the end reference to the thermoplastics is made. Every organic material, hence, polymers used in aerospace applications, present a set of response characteristics when subjected to fire, specifically the heat release rate, thermal stability index, limiting oxygen index, flammability index, time-to-ignition, surface flame spread, mass loss, smoke density and smoke toxicity. Following is the backbone of this dissertation, the kinetics modelling. Two approaches are made, one simplified using single stage kinetics where the decomposition degree a is calculated based on the Arrhenius reaction theory and using the kinetic triplets (kinetic parameters) extracted from thermogravimetry, TGA, data using the Friedman multi-curve method. The second approach is more complicated and considers multi-stage decomposition of the polymer composite. Specifically a 3-stage reaction network is considered for every material, the LY-Ref, and the two modified batches, one with ammonium polyphosphate AP423 and the other both with AP423 and multi-wall carbon nanotubes MWCNT. Again the kinetic parameters, activation energy EA, frequency factor A, and reaction order n, are extracted for every step using the van Krevelen methodology. In the end using the reaction rates equations the reconstruction of the TGA curves is achieved with an error of less than 5% from the test data. Correlations that consider the material deterioration and affect the thermophysical properties of the materials are proposed. Those expressions are being developed for both of the two kinetic approaches, the single and multi stage. Another crucial part of this work is the measurement and calibration of the applied fire load. Again two fire load approaches are used, one according to the ISO2685 Standard where a propane burner was manufactured and calibrated according to the Standard for medium scale samples testing and a lab scale butane burner for small samples. The ISO2685 burner was also CFD simulated and the models calibrated against analytical expressions, ISO requirements and real measurements. The CFD simulations were performed so the heat flux or heat transfer coefficient to be extracted and used as input for the later thermal FE burnthrough models. The heat flux distribution of the lab-scale AML burner on the specimen surface was measured via a water cooled Schmit-Boelter SBG01 heat flux sensor manufactured by Hukseflux. Manufacturing and material details are presented concerning the samples used for every test campaign. Metallic (AL2024-T3) samples, CFRP neat and modified, and hybrid GLARE ones where manufactured. Also the experimental work performed is described. Cone calorimetry testing data are available, results from thermogravimetry tests, differential scanning calorimetry, and finally the burnthrough tests with both the testing apparatuses, the ISO2685 one and the AML lab-scale burner. The modelling work in this dissertation involved thermal models that were developed into a commercial FE package. It was not part of this work to develop a thermal solver so a commercial one was selected and all the developed methodology was adapted to its requirements and specifications. The boundary conditions on the models are presented both for the ‘hot’ front surface and the rear ‘cooling’ one. For the ‘hot’ one the heat flux distribution is used and for the ‘cooling’ one an equivalent convection is applied that accounts for both convective and radiative cooling. The decomposing material model is implemented into to FE solver via user defined subroutines for the single stage kinetics and the multi-stage approach. Finally the simulations were run and the results and models were compared against the available experimental results. Since so far the burnthrough response of aerostructures was limited to coupon, samples and medium size flat panels. A more realistic approach was performed by developing a mathematical model of a real size test. The certification tests conducted by the FAA are for full size fuselage sectors under the fire load of a burning jet-fuel pan pool-fire. A burning jet-fuel pool fire is a complex phenomenon on its own, combining it with a decomposing fuselage structure make the modeling approach even more difficult to simulate if not impossible. Required data for the pool-sizes under investigation were not available, so data for large external hydrocarbon pool fires from literature were used. Also, because the main characteristic of a jet-fuel (kerosene) pool fire is that the flames are not clear, on the contrary, great amount of shoot is produced making combustion modeling and radiative heat transfer to the fuselage even more of a challenge to model, it was decided to try and tackle this full-scale approach by a simplified the modeling approach. Instead of liquid fuel combustion, an equal hot air stream with mass flow, velocity and temperature properties extracted from literature correlation data was performed. Conclusively, in terms of completeness the benefit analysis performed by Cherry and Warren is presented in brief. The objective of their analysis was to assess the potential benefits, in terms of reduction of fatalities and injuries, resulting from improvements in fuselage burnthrough resistance to ground pool fires. Fire hardening of fuselages will provide benefits in terms of enhanced occupant survival and may be found to be cost beneficial if low-cost solutions can be found. The maximum number of lives saved per year in worldwide transport aircraft accidents, over the period covered by the data, if hardening measures were applied, was assessed to be 12.5 for the aircraft in its actual configuration (when the accidents occurred) and 10.5 for the aircraft configured to later airworthiness requirements. These figures are completely significant and give an extra confirmation that this work on investigating the fire response of composite aerostructures is on the right track. As the work of Cherry and Warren concluded, the fire hardening measures in order to be applicable need to be cost efficient. The concept under which this whole dissertation stepped on was to investigate the fire response of composite aerostructures and the possibility of hardening the structure itself without the use of extra protective layers that add cost and weight to the overall aircraft and its maintenance. In the end it was concluded that there is the possibility of hardening the fuselage structure by design and by material. Incorporating composites into the structure it is possible to prolong the burnthrough time at least for 4-5 minutes before auto ignition occurs on the inner side of the fuselage. Auto ignition of the inner side fuselage cabin materials is mentioned since in NONE of the burnthrough tests of the CFRP composites and the GLARE samples flame penetration was observed. / Στην παρούσα διατριβή με τίτλο «Ανάλυση της απόκρισης σύνθετων πολυμερών υλικών υπό συνθήκες φωτιάς. Εφαρμογή σε αεροπορικές κατασκευές» πραγματοποιείται εργασία στην αριθμητική προσομοίωση και πειραματική διερεύνηση της συμπεριφοράς αεροπορικών κατασκευών σε συνθήκες φωτιάς. Στην μέχρι τώρα βιβλιογραφία οι διάφοροι έλεγχοι για πιστοποίηση των αεροπορικών υλικών αλλά και των αεροσκαφών στο σύνολό τους αποτελούνταν από εκτενείς πειραματικές δοκιμές σε μεσαία κλίμακα καθώς και σε πλήρους κλίμακας κατασκευές. Οι προδιαγραφές των ελέγχων ορίζονται από την Ομοσπονδιακή Διεύθυνση Αεροπλοΐας των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής, Federal Aviation Administration FAA. Όπως γίνεται αντιληπτό πλήρους κλίμακας δοκιμές είναι χρονοβόρες αλλά και οικονομικά ασύμφορες, για τον λόγο αυτό τα τελευταία χρόνια πραγματοποιούνται προσπάθειες από την FAA για καθιέρωση Προτύπων ελέγχου μικρής κλίμακας τα οποία σε συνδυασμό με αριθμητικά μοντέλα θα είναι σε θέση να προβλέπουν την συμπεριφορά των αεροπορικών κατασκευών σε συνθήκες φωτιάς από την φάση του σχεδιασμού τους. Θα εξασφαλίζεται έτσι καλύτερη διαχείριση οικονομικών και υλικών πόρων. Στην βιβλιογραφία ο μεγαλύτερος όγκος αριθμητικής μοντελοποίησης έχει πραγματοποιηθεί στους τομείς της ναυπηγικής και των θαλάσσιων κατασκευών καθώς επίσης και τα τελευταία χρόνια στον τομέα της αστικής δόμησης. Αριθμητική δουλεία πάνω στην συμπεριφορά των αεροπορικών κατασκευών είναι υπερβολικά περιορισμένη και εκεί στοχεύει να συμβάλει η παρούσα διατριβή. Οι αεροπορικές κατασκευές εκτός των περιορισμών και προδιαγραφών που θέτουν οι άλλες εφαρμογές απαιτούν την ελαχιστοποίηση του προστιθέμενου βάρους στην κατασκευή. Διάφοροι τύποι πολυμερών συνθέτων υλικών χρησιμοποιούνται στην βιομηχανία, διακρινόμενα σε θερμοσκληρυνόμενα και θερμοπλαστικά. Αρχικά παρουσιάζονται τα θερμοσκληρυνόμενα ξεκινώντας από τους ευρέως χρησιμοποιούμενους πολυεστέρες και βινυλεστέρες, στις φαινολικές και εποξικές ρητίνες καταλήγοντας στους υψηλής θερμοκρασίας κυανεστέρες. Εν συνεχεία γίνεται αναφορά στα συνήθη χρησιμοποιούμενα θερμοπλαστικά, πολυπροπυλένιο PP, Poly-ether ether-ketone PEEK και polyphenylene Sulphide PPS. Φυσικά δεν παραλείπεται να γίνει σύντομη αναφορά και στις τυπικές διεργασίες θερμικής αποσύνθεσης των προαναφερθέντων πολυμερών. Η συμπεριφορά των σύνθετων πολυμερών υλικών σε συνθήκες φωτιάς περιγράφεται από κάποια χαρακτηριστικά μεγέθη τα οποία χρησιμοποιούνται για την ποιοτική και ποσοτική σύγκριση των διαφόρων υποψήφιων αεροπορικών υλικών. Συγκεκριμένα τα μεγέθη αυτά είναι: Heat Release Rate HRR, Thermal Stability Index TSI, Limited Oxygen Index LOI, Extinction Flammability Index ESI, Time-to-Ignition, Surface Flame Spread, Mass Loss, Smoke Density, Smoke Toxicity. Οι διαδικασίες ελέγχου και τα υπολογιζόμενα μεγέθη γίνονται βάσει διεθνών Προτύπων που κυρίως για τον τομέα της αεροναυπηγικής ορίζονται από την Ομοσπονδιακή Διεύθυνση Αεροπλοΐας FAA. Η αριθμητική προσομοίωση προυποθέτει γνώση της συμπεριφοράς των πολυμερών υλικών σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα απώλειας μάζας με χρήση θερμογραβιμετρίας TGA κατά την διάρκεια της οποίας η απώλεια μάζας καθώς και ο ρυθμός αυτής παρακολουθούνται και καταγράφονται σαν συνάρτηση του ρυθμού θέρμανσης. Μέσα από αυτά τα δεδομένα μπορεί να πραγματοποιηθεί εκτίμηση του τρόπου αποσύνθεσης του πολυμερούς. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η θεώρηση της μονοβάθμιας αντίδρασης (single-stage reaction) που αποτελεί και την πλέον απλουστευμένη προσέγγιση. Στην θεώρηση αυτή θεωρείται πως η πολυμερής μήτρα περνάει από την «παρθένα» κατάσταση στην απανθρακομένη μέσα σε ένα βήμα. Η περιγραφή της αντίδρασης αυτής γίνεται με μια μονοβάθμια αντίδραση τύπου Arrhenius. Σε δεύτερο βήμα χρησιμοποιήθηκε κινητική θεωρία πολλαπλών σταδίων (multi-stage kinetics) σύμφωνα με την οποία πραγματοποιήθηκε ακριβέστερη προσέγγιση της απόσύνθεσης της πολυμερούς μήτρας των συνθέτων υλικών με απόκλιση μικρότερη του 5% από τα πειραματικά δεδομένα της θερμογραβιμετρείας (thermogravimetry). Και στις δύο προσεγγίσεις της αποσύνθεσης υπολογίσθηκαν οι κινηματικές παράμετροι: συντελεστής συχνότητας A (frequency factor), ενέργεια ενεργοποίησης ΕΑ (activation energy), τάξη αντίδρασης n (reaction order) για κάθε στάδιο. Με την ολοκλήρωση αυτού του σταδίου υπήρχε μια αξιόπιστη δυνατότητα αναπαράστασης της διαδικασίας αποσύνθεσης στο πείραμα της θερμογραβιμετρίας. Είναι γνωστό ότι οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας επηρεάζουν της τιμές των θερμοφυσικών ιδιοτήτων των υλικών. Αναλογιζόμενοι ότι στην διαρκεία της επιβολής της φλόγας στα σύνθετα υλικά όχι μόνο η θερμοκρασία αλλά και η σύσταση μεταβάλλεται συνεχώς λόγω της αποσύνθεσης κρίθηκε αναγκαία η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας που θα συμπεριλαμβάνει την επίδραση της αποσύνθεσης στην μεταβολή των θερμοφυσικικών ιδιοτήτων (θερμική αγωγιμότητα, ειδική θερμοχωρητικότητα και πυκνότητα) της πολυμερούς μήτρας και κατά συνέπεια του συνθέτου υλικού. Οι εξαγόμενες μαθηματικές σχέσεις χρησιμοποιήθηκαν στην αριθμητική προσομοίωση που ακολούθησε. Με σκοπό την ορθή αριθμητική μοντελοποίηση κρίνεται αναγκαία η μέτρηση και βαθμονόμηση του θερμικού φορτίου τον πειραματικών δοκιμών. Το μετρούμενο θερμικό φορτίου χρησιμοποιήθηκε εν συνεχεία ως φόρτιση στα αναπτυχθέντα μοντέλα. Χρησιμοποιήθηκαν δύο πειραματικές διατάξεις εφαρμογής φλόγας, μία μεσαίας κλίμακας σύμφωνα με τις διατάξεις του FAA Standard, που περιγράφεται στο ISO2685:1998(E) “Aircraft – Environmental test procedure for airborne equipment – Resistance to fire in designated fire zones” και μίας εργαστηριακής κλίμακος. Πραγματοποιήθηκε μέτρηση με θερμοζεύγη και καλορίμετρο νερού καθώς και αριθμητική μοντελοποίηση με χρήση CFD για την πρώτη διάταξη. Ενώ για την εργαστηριακής κλίμακας έγινε μέτρηση με θερμοζεύγη και ενός αισθητήρα θερμικού φορτίου «water-cooled Hukseflux Schmit-Boelter SBG01 sensor». Εν συνεχεία πραγματοποιήθηκε η κατασκευή των δοκιμίων των υποψήφιων υλικών καθώς και οι πειραματικές δοκιμές και έλεγχοι τους. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκε: Θερμιδομετρία κώνου (cone calorimetry), Θερμογραβιμετρία (thermogravimetry), Θερμιδομετρία Διαφορικής Ανίχνευσης (Differencial Scanning Calorimetry, DSC), Μέτρηση Θερμικής αγωγιμώτητας, Δοκιμή διείσδυσης φλόγας (Fire burnthrough penetration). Καθώς ο χαρακτηρισμός της αποσύνθεσης των πολυμερών υλικών, η μεταβολή των θερμοφυσικών ιδιοτήτων, η μέτρηση και βαθμονόμηση του επιβαλλόμενου θερμικού φορτίου καθώς και οι πειραματικές δοκιμές έχουν ολοκληρωθεί ακολουθεί η αριθμητική προσομοίωση. Οι συνοριακές συνθήκες θερμικού φορτίου και ψύξης επιλέχθησαν ως εξής. Ως φόρτιση θεωρήθηκε η κατανομή του θερμικού φορτίου (σε kW/m2) στην εμπρός επιφάνεια του πάνελ. Στην ψύξη της πίσω επιφάνειας λήφθηκε υπόψη τόσο η ελεύθερη μεταφορά θερμότητας με επαφή όσο και η ακτινοβολία. Το μοντέλο της συμπεριφοράς του υλικού διαμορφώθηκε κατάλληλα ώστε να γίνει κατανοητό από τις απαιτήσεις ενός εμπορικού κώδικα Πεπερασμένων Στοιχείων επίλυσης θερμικών προβλημάτων και προσομοιώθηκαν οι πειραματικές δοκιμές διείσδυσης φλόγας των δύο πειραματικών διατάξεων, μεσαίας και εργαστηριακής κλίμακος. Πλέον της αριθμητικής προσομοίωσης της συμπεριφοράς σε φωτιά επίπεδων δοκιμίων αεροπορικών κατασκευών, πραγματοποιήθηκε προσπάθεια απλουστευμένης μοντελοποίησης των συνθηκών φλόγας ενός λιμνάζοντος όγκου καυσίμου αεροσκαφών στο εξωτερικό μιας ατράκτου. Δημιουργήθηκε ένα τρισδιάστατο ρευστομηχανικό μοντέλο πρόβλεψης του θερμικού φορτίου στην επιφάνεια μιας τυπικής ατράκτου σύμφωνα με τις προδιαγραφές γεωμετρίας του Προτύπου “Full-scale test evaluation of Aircraft fuel fire burnthrough resistance improvements” DOT/FAA/AR-98/52,1999. Τα ρευστομηχανικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν με δεδομένα βιβλιογραφίας για μεγάλες φλεγόμενες δεξαμενές λιμνάζοντος καυσίμου. Εκτός από την μελέτη της απόκρισης των αεροπορικών κατασκευών σε συνθήκες φλόγας σκοπός της παρούσας εργασίας είναι και η παρουσίαση λύσεων οι οποίες θα έχουν την δυνατότητα της βελτίωσης της συμπεριφοράς των υπαρχουσών δομών καθώς και των μελλοντικών σύνθετων δομών. Ενδεικτικά αναφέρεται η δυνατότητα χρήσης νανοεγκλεισμάτων, και βελτιωμένων μονωτικών υλικών, π.χ. aerogels. Όπως έχει ήδη αναφερθεί οι αεροπορικές κατασκευές θέτουν τον περιορισμό της ελαχιστοποίησης του προστιθέμενου βάρους, για τον λόγο αυτό η ενίσχυση των συνθέτων υλικών θα πρέπει να πραγματοποιηθεί σε επίπεδο υλικού και σχεδιασμού. Πρέπει δηλαδή η ίδια η κατασκευή που είναι ικανή να φέρει τα μηχανικά φορτία να εξασφαλίζει και την πιστοποίηση της FAA για συνθήκες φωτιάς. Συνοψίζοντας, η παρούσα διατριβή πραγματοποιεί μια καινοτόμο, γρήγορη και αρκετά ακριβή προσέγγιση του σημαντικότατου ζητήματος της συμπεριφοράς των πολυμερικών σύνθετων αεροπορικών δομών σε συνθήκες φωτιάς Η πολυπλοκότητα του όλου φαινομένου επέβαλε την πραγματοποίηση παραδοχών και απλουστεύσεων. Καθώς όμως με την αυξανόμενη χρήση των συνθέτων υλικών στις αεροπορικές κατασκευές, ο τομέας της ασφάλειας σε συνθήκες φλόγας είναι συνεχώς αυξανόμενος και απαιτητικός. Για αυτό οι παραδοχές και θεωρήσεις της παρούσας διατριβής μπορούν να βελτιωθούν με χρήση νέων υπολογιστικών μεθόδων και πειραματικών δεδομένων με στόχο την ακόμα ακριβέστερη πρόβλεψη της συμπεριφοράς τον αεροπορικών δομών σε συνθήκες φλόγας.