- / -

In the present thesis a novel numerical approach for the optimization of composite structures fabricated from woven composite materials is developed. The aim is to increase the ultimate strength of the structure while at the same time decreasing its weight. The numerical approach is based on a combination of the numerical algorithm of progressive damage modelling (PDM), along with shape optimization (SO) in an iterative subroutine. PDM, which is comprised of three steps, namely stress analysis, failure analysis and material property degradation, is used to predict the initiation and propagation of failure in the structure. During the phase of SO certain geometrical parameters are varied within limits in order to minimize the stresses that lead the structure to ultimate failure as indicated by PDM results. Finally the resulting geometry is solved with PDM to ensure the enhancement in the ultimate strength and the decrease in ultimate weight. Within the frame of this approach, a new methodology for the numerical modeling and the simulation of mechanical behavior of woven composite materials is proposed. The highly inhomogeneous nature of woven composite materials in the micro-scale is taken under consideration to create accurate representative volume element (RVE) FE models which represent the actual material. Then PDM is used for the simulation of their mechanical response. The calculated properties, in terms of stiffnesses and strengths, are then inserted as inputs in the global FE model of the composite structure. Additionally, the reliability and applicability of a continuum damage model (CDM), in comparison with cohesive zone model (CZM), are assessed in order to use the CDM for the modeling of the adhesive’s mechanical behavior. The mentioned numerical approach is applied in an H-shaped joining element fabricated from two different woven composite materials for the loading case of tension. In the first case NCF composite is used while in the second case the joint is made of 3D fully interlaced weave (FIW) composite. The purpose of the H-shaped element is the joining of two composite plates via the method of adhesive bonding. / Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος αριθμητικής βελτιστοποίησης δομικών στοιχείων από σύνθετα υλικά με σκοπό την αύξηση της αντοχής τους. Η μέθοδος βασίζεται σε έναν αριθμητικό αλγόριθμο Προοδευτικής Εξέλιξης της Βλάβης (ΠΕΒ) και τη Βελτιστοποίηση Σχήματος (ΒΣ) τα οποία συνδυάζονται σε μια επαναληπτική υπό-ρουτίνα. Στην ΠΕΒ περιλαμβάνονται τα βήματα της ανάλυσης τάσεων, ανάλυσης αστοχίας και υποβάθμιση των ιδιοτήτων των στοιχείων. Η χρησιμότητα της έγκειται στην πρόβλεψη της έναρξης και εξέλιξης της αστοχίας στο δομικό στοιχείο κάτι απαραίτητο για την κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς. Η ΒΣ έχει ως σκοπό την μεταβολή συγκεκριμένων γεωμετρικών παραμέτρων για να επιτευχθεί ελαχιστοποίηση των κρίσιμών τάσεων που προκύπτουν από τα αποτελέσματα της ΠΕΒ και οδηγούν στην αστοχία του στοιχείου. Παράλληλα, για την μοντελοποίηση και τον υπολογισμό των μηχανικών ιδιοτήτων πρωτότυπων πλεγμένων σύνθετων υλικών προτείνεται καινούργια μια μεθοδολογία η οποία λαμβάνει υπ’ όψιν την υψηλή ανομοιογένεια των υλικών στην μικρό-κλίμακα για να υπολογίσει τις ιδιότητες τους. Η μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε ένα νέο συνδετικό στοιχείο σχήματος H κατασκευασμένο από δύο διαφορετικά πλεγμένα σύνθετα υλικά, τα μη πτυχωτά και τα τρισδιάστατα πλεγμένα σύνθετα υλικά, για την περίπτωση του εφελκυσμού. Σκοπός του συνδέσμου είναι η ένωση δύο πλακών από σύνθετα υλικά χρησιμοποιώντας κόλλα. Αρχικά το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων του συνδέσμου δημιουργείται και επιλύεται με την μέθοδο ΠΕΒ. Για την προσομοίωση της μη-γραμμικής συμπεριφοράς της κόλλας αναπτύσσεται ένα δι-γραμμικό μοντέλο. Για την προσομοίωση της πλήρης μηχανικής συμπεριφοράς των μη πτυχωτών και τρισδιάστατα πλεγμένων συνθέτων υλικών, αναπτύσσεται μια διαδικασία η οποία περιλαμβάνει τα βήματα της γεωμετρικής μοντελοποίησης, της κατασκευής του μοντέλου πεπερασμένων στοιχειών και την επίλυση αυτού με την μέθοδο ΠΕΒ. Τα αποτελέσματα, σε όρους διαγραμμάτων τάσεων-παραμορφώσεων, χρησιμοποιούνται ως δεδομένα στο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων του συνδέσμου το οποίο επιλύεται και υπολογίζεται το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης. Στην συνέχεια, λαμβάνει μέρος η γεωμετρική βελτιστοποίηση βασιζόμενη στα αποτελέσματα της επίλυσης της αρχικής γεωμετρίας. Σε αυτό το σημείο επιλέγεται η μεταβλητή προς ελαχιστοποίηση στην διαδικασία της βελτιστοποίησης. Το μέγεθος αυτό ονομάζεται Συνάρτηση Σκοπού (ΣΣ) και ορίζεται ως ο συντελεστή βλάβης που ευθύνεται για την τελική αστοχία του δομικού στοιχείου. Ως ένα επιπλέον κριτήριο για την επιλογή της βέλτιστης γεωμετρίας επιλέγεται η μείωση βάρους δεδομένου ότι πρόκειται για αεροπορική κατασκευή. Η γεωμετρία που ελαχιστοποιεί την συνάρτηση σκοπού και ταυτόχρονα είναι ελαφρύτερη από την αρχική, επιλέγεται ως η τελική γεωμετρία. Τέλος, γίνεται η επιτυχής επικύρωση της βελτιστοποίησης με την σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων μεταξύ της αρχικής και τελικής γεωμετρίας. Η μεθοδολογία της ΠΕΒ εφαρμόζεται στην τελική γεωμετρία και τα διαγράμματα δύναμης μετατόπισης συγκρίνονται για να διαπιστωθεί η αύξηση στο μέγιστο φορτίο που μπορεί να φέρει το συνδετικό στοιχείο πριν την τελική αστοχία.

Στην παρούσα διατριβή ερευνήθηκε η αξιοποίηση μεταλλευτικών, βιομηχανικών παραπροϊόντων, των στερεών Υπολειμμάτων Βορίου (ΥΒ), που δημιουργούνται σε διάφορα στάδια κατά την παραγωγική διαδικασία προϊόντων βορίου. Τα εν λόγω παραπροϊόντα, που κατηγοριοποιούνται σε πέντε ποιότητες, SBW, DBW, SSBW, TBW και MBW, χρησιμοποιήθηκαν ως πρόσθετο Α’ υλών για την παραγωγή τούβλων και κεραμιδιών, και ως Α΄ ύλη για την παρασκευή τεχνητών ελαφροαδρανών. Πραγματοποιήθηκε φυσικοχημικός χαρακτηρισμός και θερμική ανάλυση όλων των ΥΒ. Στη συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση προσθήκης διαφορετικών συγκεντρώσεων ΥΒ (SBW και SSBW) σε αργιλούχες Α΄ ύλες. Έγινε μια πρώτη προσέγγιση παρασκευής και ελέγχου κεραμικών δοκιμίων με τη μέθοδο της ξηρής ανάμιξης και αξονικής συμπίεσης, προκειμένου να περιοριστεί το φαινόμενο διάχυσης υδατοδιαλυτών ενώσεων βορίου που περιέχονται στα ΥΒ. Η προσθήκη 5%κβ SSBW και θερμοκρασία όπτησης 900-950°C οδήγησε σε κεραμικά με παραπλήσιες ή ακόμα και βελτιωμένες ιδιότητες (αυξημένες μηχανικές αντοχές) συγκριτικά με τα κεραμικά αναφοράς. Επιπλέον εξετάστηκε η παραγωγή δειγμάτων με ΥΒ (SBW) και διάλυμα εμπορίου με βορικό (Evansite®) ακολουθώντας διαδικασία παραπλήσια της βιομηχανικής πρακτικής. Στους 1000°C, παρατηρήθηκε μείωση της απορρόφησης νερού και αύξηση της αντοχής σε κάμψη για τα δείγματα με βορικά, σε σύγκριση με τα δείγματα αναφοράς. Η προσθήκη βορικών ευνόησε τη δημιουργία νέων κρυσταλλικών κατά την όπτηση. Δεδομένης της χημικής και ορυκτολογικής σύνθεσης των ΥΒ (πλούσια σε συλλιπάσματα και υψηλές απώλειες πύρωσης), πραγματοποιήθηκε επιπρόσθετα μελέτη των φυσικοχημικών μηχανισμών θερμικής διάσπασής τους. Σε θερμαινόμενη τράπεζα παρατηρήθηκε η ικανότητα διόγκωσης και ανάπτυξης ρευστής φάσης των ΥΒ, καθώς και μιγμάτων αυτών με άλλα υλικά, με σκοπό την εργαστηριακή παραγωγή ελαφροαδρανών. Βάσει των αποτελεσμάτων προτάθηκε ένα μίγμα αποτελούμενο από 70%κβ ΥΒ, 20%κβ αργιλούχο μίγμα και 10%κβ χαλαζιακή άμμο, για τη μορφοποίηση ξηρών σφαιριδίων. Απότομη θέρμανσή τους στους 760°C οδήγησε σε πορώδη υαλοποιημένα αδρανή με φαινόμενη πυκνότητα <1g/cm3. Το ενεργειακό κόστος παραγωγής των συγκεκριμένων αδρανών είναι χαμηλότερο, καθώς παρατηρήθηκε μείωση στη θερμοκρασία σε σχέση με άλλα τεχνητά ελαφροαδρανή, που παρασκευάζονται στους 1100°C. Για την αντιμετώπιση της διάχυσης ενώσεων βορίου προς την επιφάνεια των ξηρών σφαιριδίων, που οδήγησε σε προβλήματα κατά την πειραματική διαδικασία και σε υποβάθμιση της ποιότητας των τελικών προϊόντων, εξετάστηκε η προσθήκη φρουκτόζης ως παρεμποδιστή στο μίγμα Α’ υλών, με στόχο την βελτιστοποίηση της διαδικασίας παραγωγής ελαφροαδρανών από ΥΒ. Προσθήκη έστω και 0.5%κβ φρουκτόζης οδήγησε σε ικανοποιητικό έλεγχο, ενώ οι φυσικές ιδιότητες των παραχθέντων αδρανών τα κατατάσσουν στην κατηγορία των ελαφροαδρανών, σύμφωνα με το πρότυπο ASTM 330-97. Τα αποτελέσματα οδήγησαν στην κατανόηση βασικών φαινομένων θερμικής διάσπασης και στην ανάπτυξη μιας βέλτιστης διεργασίας παραγωγής τεχνητών ελαφροαδρανών χρησιμοποιώντας ΥΒ ως εναλλακτικές Α’ ύλες, με προφανές ενεργειακό και περιβαλλοντικό όφελος. / In the present thesis, the valorisation of mining and industrial by-products, the solid boron-containing Wastes (ΒW), which are created at various stages during the production process of concentrated and refined boron products, were investigated. The by-products under consideration, existing in five types SBW, DBW, SSBW, TBW and MBW, were used as additives and raw materials in clay mixes for the production of heavy clay ceramics (bricks, tiles and artificial lightweight aggregates). The BW were characterised in means of chemical and mineralogical composition and studied for their thermal behaviour. In addition, clay mixes with different amounts of BW (SBW and SSBW) were studied. A first approach was made on the formation of ceramic samples by dry pressing in order to minimize the borate migration towards the surface. The physical and mechanical properties, as well as the microstructure of the final products were studied. For 5 wt% SSBW addition and firing at 900-950°C, the sintered bodies presented comparable or improved physical and mechanical properties with respect to the reference formulation. Moreover, SBW or a commercial available borate solution (Evansite®) were introduced in a clay-based mix aiming to investigate their behaviour during a processing cycle comparable with that followed in the heavy clay industry. For firing at 1000°C, water absorption was reduced and bending strength increased for the samples with borates, compared to the reference samples. The addition of borates resulted in the formation of new crystalline phases during firing at high temperatures. BW consist of important fluxing oxides as well as of gas producing minerals during firing. Tests were performed on the bloating behavior of BW and mixes of them with other materials, by means of heating microscopy, aiming at the laboratorial production of lightweight aggregates (LWA). A new mix was proposed, according to the obtained results, consisting of 70wt% BW, 20wt% clay mixture and 10wt% quartz sand, for the formation of pellets. Abrupt heating of the dry pellets at 760°C, for 5min, resulted in porous LWA with bulk density <1g/cm3. The process was less energy demanding as the temperature was reduced compared to the one of the synthetic aggregates produced, where the firing temperature is 1100°C. During drying a white layer of boron salts was formed on the surface of the green pellets, which result on firing of a glassy layer causing alterations of their surface and experimental difficulties. In order to address this problem, fructose was added in the raw mix as a migration inhibitor. Addition of even 0.5wt% fructose inhibited the salt formation and a glassy impervious layer was formed after firing. The physical properties of the final samples meet the requirements of LWA according to the standard ASTM 330-97. The results of this thesis, led to the development of an optimised process for the production of artificial LWA with BW, as an alternative raw material.