The aim of the present thesis is to explore sustainable low cost environmentally friendly composite materials. It is a step by step experimental research. Firstly, taking under consideration the so far commercial available non-organic materials used as reinforcement and the petroleum based resins used as matrices, composite materials were fabricated and mechanically characterized. Different components in micro- and nano- scale were combined. Afterwards, the non-organic materials used as reinforcements were substituted by different types of non conventional natural-based fillers. The fillers (corn starch and olive pit granules) were in powder form, derived from agricultural local resources and additionally flax fabric used to produce laminated composites. All the semi-green epoxy composites were characterized by means of three-point bending testing. Moreover, the manufactured composites were induced in several sources of damage and their residual properties were extensively investigated. More precisely, the effect of the strain-rate and low velocity impact as well as of thermal fatigue, on the mechanical properties of the olive pit and the flax fabric reinforced resin was studied. Since, conventional and semi-green composite materials were fabricated and experimentally investigated, the final objective of the present thesis was to produce novel green composites materials by substituting the petroleum-based epoxy resin with a biodegradable derived from natural resources biopolyester. In order to accomplish this target, polylactic acid (PLA) was combined with olive pits in powder form at different concentrations. Olive pits, is almost unknown non-traditional filler to composites, obtained during the oil extraction process. It is a raw material characterized by its low cost and its abundance, since it consists a waste product of the olive oil industry. In order to successfully accomplish this part of research, experiments were taken place in France at the CMGD (Centre des Matériaux de Grande Diffusion) Institute of the École Nationale Supérieure des Mines d’ Alés, under the guidance of Prof. A. Bergeret within the framework of research cooperation with the main supervisor of this thesis, Prof. G. Papanicolaou. The most important feature of the present green composites is their satisfactory mechanical and thermal performance in combination with their complete biodegradability. The PLA/olive pit composites could be applied to various components with moderate strength such as automotive interiors, interior building applications, durable goods, serviceware and food packaging material The aim of this part of the study was to investigate the effect of three types of olive pit powder at different weights fractions on the physical and mechanical properties of polylactide (PLA) matrix composites. For the preparation of the powder, two different grinding procedures were applied, producing three types of olive pit powder. Various measurements were accomplished to determine characteristics such as the density and the size distribution and the shape of the powder. Different PLA/ olive pits powder composites were manufactured by extrusion and injection molding. A comparative study between the different composites was made in order to investigate the matrix-filler interactions, occurring between the PLA and olive pit granules and their overall physical, mechanical and thermomechanical properties were investigated by means of TGA, FT-IR, DSC, SEM, flexural and uni-axial tensile testing. Finally, theoretical predictive models were applied in most of the composite materials manufactured in the present work. These models making use of minimal number of experimental results can satisfactorily predict the residual properties of damaged materials, irrespectively of the type of the material investigated and the damage source. Namely, the Modulus Predictive Model (ΜPM), the Residual Properties Model (RPM) and the Residual Strength after Impact Model (RSIM), have been successfully applied. A big number of interesting conclusions have been derived from the present work. However, a general conclusion is that a totally green composite with useful properties and applications is a promising target for the humanity and the planet survivability. / Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η κατασκευή και μελέτη συνθέτων υλικών χαμηλού κόστους ενισχυμένων με φυσικά υλικά, φιλικά προς το περιβάλλον. Η επίτευξη αυτού του στόχου πραγματοποιήθηκε σταδιακά. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε μια εκτεταμένη μελέτη διαφορετικών συνθέτων υλικών τα οποία ήταν εξ’ ολοκλήρου κατασκευασμένα από ανόργανα και συνθετικά υλικά. Γι’ αυτό το σκοπό κατασκευάστηκαν και μελετήθηκαν οι μηχανικές ιδιότητες συνθέτων υλικών που έχουν ως μήτρα μια εμπορικά διαθέσιμη πετροχημική εποξειδική ρητίνη. Η εποξειδική ρητίνη ενισχύθηκε με ανόργανα υλικά σε μικρο- (συμπαγή και κενά σφαιρίδια γυαλίου) και νανο- (νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος) διαστάσεις. Στη συνέχεια, βασιζόμενη στο ήδη υπάρχον επιστημονικό υπόβαθρο, καθώς η μεταπτυχιακή μου εργασία ειδίκευσης ήταν στο ίδιο ερευνητικό πεδίο με το αντικείμενο της διδακτορικής μου διατριβής, γίνεται προσπάθεια περαιτέρω εξέλιξης της έρευνας που σχετίζεται με την μελέτη και κατασκευή συνθέτων φιλικών προς το περιβάλλον. Ως εκ τούτου, το επόμενο στάδιο της πειραματικής μελέτης στα πλαίσια εκπόνησης της διατριβής αυτής, ήταν η κατασκευή και χαρακτηρισμός, ως προς την μηχανική τους συμπεριφορά, συνθέτων υλικών πολυμερικής εποξειδικής μήτρας ενισχυμένης με διαφορετικού τύπου φυσικές ενισχύσεις και περιεκτικότητες. Οι φυσικές ενισχύσεις που επιλέχθηκαν να μελετηθούν ήταν τόσο σε μορφή κόκκων και μικρο-ινών, όσο και σε μορφή υφάσματος. Τα εγκλείσματα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν σκόνη από κόκκους ελαιοπυρήνα και σκόνη αμύλου καλαμποκιού. Στα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με κόκκους ελαιοπυρήνα, έγινε μελέτη της επίδρασης των διαφορετικών ρυθμών παραμόρφωσης στις μηχανικές τους ιδιότητες, ενώ στα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με την σκόνη αμύλου μελετήθηκαν εκτενώς οι στατικές μηχανικές τους ιδιότητες. Επιπλέον, κατασκευάστηκαν πολύστρωτα σύνθετα υλικά χρησιμοποιώντας για τις διάφορες στρώσεις ύφασμα από ίνες λιναριού. Τα πολύστρωτα σύνθετα υλικά χαρακτηρίστηκαν ως προς τις μηχανικές τους ιδιότητες, υποβλήθηκαν σε θερμική κόπωση και υπέστησαν κρούση χαμηλής ενέργεια. Οι εναπομένουσες μηχανικές ιδιότητες των υλικών αυτών μελετήθηκαν τόσο πειραματικά όσο και θεωρητικά. Ο απώτερος στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής ήταν να γίνει η δυνατή η κατασκευή συνθέτων υλικών τα οποία να είναι πλήρως βιοδιασπώμενα και φιλικά προς το περιβάλλον. Για το σκοπό αυτό, το τρίτο και τελευταίο στάδιο της έρευνας που διεξήχθη στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, ήταν η κατασκευή εξολοκλήρου φυσικών συνθέτων υλικών έχοντας ως μήτρα ένα βιοδιασπώμενο πολυεστέρα φυτικής προέλευσης, το πολύ (γαλακτικό οξύ), ενισχυμένο με σκόνη από κόκκους ελαιοπυρήνα. Ο ξηρός ελαιοπυρήνας που χρησιμοποιήθηκε, αποτελεί μέρος των αποβλήτων που προκύπτουν από την διαδικασία παραγωγής ελαιολάδου. Ο ελαιοπυρήνας σε αυτή την μορφή έχοντας μηδαμινό κόστος απαντάται σε εξαιρετικά μεγάλες ποσότητες και σε σημαντικό ποσοστό εναποτίθεται στους περιβάλλοντα χώρους των μονάδων παραγωγής του ελαιολάδου. Η ερευνητική εργασία που σχετίζεται με αυτό το αντικείμενο του διδακτορικού έλαβε χώρα στην Γαλλία στο École Nationale Supérieure des Mines d’ Alés, στο ερευνητικό ινστιτούτο CMGD (Centre des Matériaux de Grande Diffusion) υπό την επίβλεψη της καθηγήτριας A. Bergeret, στα πλαίσια ερευνητικής συνεργασίας του επιβλέποντα καθηγητή Γ. Παπανικολάου και της ερευνητικής του ομάδας. Τα πειράματα που διεξήχθησαν στο ερευνητικό ινστιτούτο CMGD, περιελάμβαναν αρχικά την προετοιμασία των κόκκων του ελαιοπυρήνα στην κατάλληλη μορφή για να είναι δυνατή η χρησιμοποίησή τους ως ενισχυτικό υλικό. Έγινε κονιορτοποίηση των κόκκων από την οποία προέκυψαν δύο τύπου σκονών που διέφεραν ως προς την διασπορά του μεγέθους των κόκκων, ενώ μια τρίτη σκόνη ελαιοπυρήνα είχε ήδη προετοιμαστεί με διαφορετική μέθοδο κονιορτοποίησης στο τμήμα Επιστήμης των Υλικών του Πανεπιστήμιου Πατρών. Έγινε εκτενής χαρακτηρισμός των φυσικών και μορφολογικών ιδιοτήτων όλων των σκονών ελαιοπυρήνα που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των συνθέτων υλικών με μήτρα το PLA. Προσδιορίστηκαν διαφορετικού τύπου πυκνότητες και η διασπορά του μεγέθους των κόκκων. Έγινε θερμική ανάλυση με δοκιμή θερμοζυγού (TGA), μορφολογικός χαρακτηρισμός με χρήση ηλετρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) καθώς και χαρακτηρισμός με φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FT IR) και ακτίνων-Χ. Αφού ολοκληρώθηκε ο χαρακτηρισμός των ιδιοτήτων της ενισχυτικής φάσης, στη συνέχεια κατασκευάστηκαν σύνθετα υλικά μήτρας PLA ενισχυμένα με τους κόκκους ελαιοπυρήνα σε διαφορετικές περιεκτικότητες. Η προετοιμασία των σύνθετων αυτών υλικών πραγματοποιήθηκε σε δύο στάδια. Αρχικά έγινε μια πρώτη μορφοποίηση με εξώθηση (extrusion). Τα σύνθετα υλικά που προέκυψαν από την εξώθηση που ήταν στη μορφή δισκίων (pellets) χαρακτηρίστηκαν και αυτά με διάφορες τεχνικές (WAXD, DSC, TGA). Τα σύνθετα υλικά υπό μορφή δισκίων για να αποκτήσουν την τελική τους μορφή ως δοκίμια κατάλληλα για μηχανικές δοκιμές κατά τα πρότυπα ISO 527, μορφοποιήθηκαν με έγχυση (Injection molding). Τα σύνθετα υλικά στην τελική τους μορφή χαρακτηρίστηκαν με διάφορες τεχνικές (WAXD, DSC, TGA), έγινε χαρακτηρισμός των μηχανικών τους ιδιοτήτων και μορφολογική παρατήρηση των επιφανειών τους ύστερα από την μηχανική τους αστοχία (SEM). Τέλος, σε πολλά από τα σύνθετα υλικά που κατασκευάστηκαν και μελετήθηκαν πειραματικά, εφαρμόστηκαν διαφορετικά ημιεμπειρικά μοντέλα ανάλυσης και πρόβλεψης της μηχανικής τους συμπεριφοράς. Στο κυρίως κείμενο της διδακτορικής διατριβής, περιγράφεται σε ξεχωριστό κεφάλαιο το σύνολο των θεωρητικών μοντέλων που εφαρμόστηκαν στα πειραματικά αποτελέσματα. Στα επιμέρους κεφάλαια που παρουσιάζονται και αναλύονται τα πειραματικά αποτελέσματα, παρατίθενται η σύγκρισή τους με τις αντίστοιχες προβλέψεις που πρόεκυψαν από την εφαρμογή των θεωρητικών μοντέλων. Από τη σύγκριση αυτή παρατηρούμε ότι τα θεωρητικά μοντέλα που εφαρμόστηκαν που είναι το μοντέλο πρόβλεψης του μέτρου ελαστικότητας κοκκωδών υλικών, ΜPM (Modulus Predictive Model), το μοντέλο πρόβλεψης της υποβάθμισης ιδιοτήτων ύστερα από διαφορετικές είδους καταπονήσεις (θερμική κόπωση, κρούση χαμηλής ενέργειας και του ρυθμού παραμόρφωσης σε κάμψη τριών σημείων), RPM (Residual Properties Model) και το μοντέλο πρόβλεψης της υποβάθμισης της αντοχής των υλικών ύστερα από κρούση, Residual Strength after Impact Model (RSIM), έδωσαν ικανοποιητικές προβλέψεις για την μεταβολή των ιδιοτήτων κάνοντας χρήση ελάχιστων μόνο πειραματικών σημείων. Στην παρούσα διατριβή συνδυάστηκαν δύο διαφορετικού τύπου πολυμερικές ρητίνες με πληθώρα ενισχυτικών υλικών για την κατασκευή και μελέτη της μηχανικής τους συμπεριφοράς, τόσο πειραματικά όσο και θεωρητικά με την εφαρμογή ημιεμπειρικών μοντέλων πρόβλεψης και ανάλυσης. Για την κατασκευή των δοκιμίων, ανάλογα με τον τύπο του υλικού της μήτρας και της ενίσχυσης, εφαρμόστηκαν διαφορετικές τεχνικές και σύνθετες πειραματικές διαδικασίες. Ενώ, για την μελέτη των μηχανικών, θερμομηχανικών και μορφολογικών τους ιδιοτήτων εφαρμόστηκε σημαντικός αριθμός διαφορετικών τεχνικών χαρακτηρισμού.

Στην εργασία αυτή αξιολογούνται οι πετρογραφικές και φυσικομηχανικές ιδιότητες που καθορίζουν την καταλληλότητα των ανθρακικών σχηματισμών του Νομού Αιτωλοακαρνανίας Δυτικής Ελλάδας,που ανήκουν στη ζώνη Ωλονού-Πίνδου ηλικίας Άνω Κρητιδικού.Σκοπός είναι να συσχετισθούν οι ιδιότητες αυτές,να προσδιοριστεί η συμπεριφορά των αργιλικών προσμίξεων και να καθορισθεί η καταλληλότητας τους,για χρήση τους ως αδρανή σε έργα οδοποιϊας.Δυο από τις δοκιμές που προσδιορίζουν την καθαρότητα των αδρανών είναι η δοκιμή ισοδύναμου άμμου και η δοκιμή μπλε του μεθυλενίου,τα αποτελέσματα των οποίων συσχετίστηκαν με τις πετρογραφικές και φυσικομηχανικές παραμέτρους των πετρωμάτων. / In this paper we evaluate the petrographic and physicomechanical properties which determine the suitability of carbonate formations of Aitoloakarnania Western Greece , in Olonos - Pindos unit Cretaceous age.The objective is to relate these properties to determine the behavior of clay impurities and determine the suitability for use as aggregates in road construction.Two of the tests that used to determine the purity of the aggregates is the sand equivalent and methylene blue, the results of which were associated with the petrographic and physico-mechanical parameters of rocks .

Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας νέας κλάσης εξωτερικά εξαρτώμενων στοχαστικών συναρτησιακών μοντέλων για την αναγνώριση (identification) δυναμικών συστημάτων που παρουσιάζουν πολλαπλά σημεία λειτουργίας, τα οποία καθορίζονται από μετρήσιμη εξωτερική μεταβλητή (όπως για παράδειγμα, η θερμοκρασία, η υγρασία, κ.λ.π.). Επιπλέον, στόχος είναι η ανάπτυξη καινοτόμου μεθοδολογίας διάγνωσης (ανίχνευσης, προσδιορισμού και εκτίμησης) βλαβών σε δυναμικά συστήματα βάσει των στοχαστικών συναρτησιακών μοντέλων. Η διατριβή αρχικά πραγματεύεται την ανάπτυξη κατάλληλης μεθοδολογίας που αντιμετωπίζει τα επιμέρους προβλήματα της ανίχνευσης, του προσδιορισμού και της εκτίμησης βλαβών στη σύνθετη περίπτωση όπου η κατασκευή διεγείρεται υπό σεισμική διέγερση. Η αποτίμηση της μεθόδου αποτέλεσε και το έναυσμα για τη διαμόρφωση καινοτόμου μεθοδολογίας, η οποία βασίζεται σε μια νέα κλάση εξωτερικά εξαρτώμενων στοχαστικών συναρτησιακών μοντέλων. Τα μοντέλα αυτά έχουν την ικανότητα να αναπαριστούν, με μεγάλη ακρίβεια, μια κατασκευή για συγκεκριμένο τύπο βλάβης και συνεχές εύρος μεγεθών, χρησιμοποιώντας μοναδική μαθηματική αναπαράσταση παραμετροποιημένη ως προς το μέγεθος της βλάβης. Επισημαίνεται ότι τέτοιου τύπου συναρτησιακά μοντέλα δεν αναφέρονται στην βιβλιογραφία. Οι πιο συγγενείς οικογένειες μοντέλων προέρχονται από τις επιστήμες της στατιστικής και της οικονομετρίας, οι οποίες όμως δεν παρουσιάζουν συναρτησιακή μορφή και δεν μπορούν να καλύψουν συνεχή εύρη τιμών. Εξαιτίας αυτού του γεγονότος στη συνέχεια της διατριβής ορίζεται η νέα κλάση εξωτερικά εξαρτώμενων στοχαστικών Συναρτησιακών (F) μοντέλων Αυτοπαλινδρόμησης (AR) με Εξωγενή (X) είσοδο, των οποίων οι παράμετροι και η διασπορά του θορύβου είναι συναρτήσεις μετρήσιμης εξωτερικής μεταβλητής. Αυτή η συναρτησιακή εξάρτηση δίνει τη σημαντική ικανότητα στη νέα κλάση μοντέλων να μπορούν να χρησιμοποιηθούν: α) για τη δυναμική αναγνώριση συστημάτων με πολλαπλά σημεία λειτουργίας που καθορίζονται από μετρήσιμη εξωτερική μεταβλητή και, β) για την ανίχνευση, τον προσδιορισμό και την εκτίμηση βλαβών σε στοχαστικά δυναμικά συστήματα όπου η εξωτερική μεταβλητή είναι το μέγεθος της βλάβης. Επιπλέον, για τα μοντέλα αυτά αναπτύσσονται κατάλληλες μέθοδοι εκτίμησης των οποίων τα χαρακτηριστικά μελετώνται, και η αποτίμηση τους πραγματοποιείται μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo. Στη συνέχεια ορίζεται η νέα κλάση εξωτερικά εξαρτώμενων στοχαστικών Συναρτησιακών (F) μοντέλων Αυτοπαλινδρόμησης (AR) και Κινητού Μέσου Όρου (ΜΑ) με Εξωγενή (X) είσοδο των οποίων επίσης οι παράμετροι και η διασπορά του θορύβου εκφράζονται ως συναρτήσεις μετρήσιμης εξωτερικής μεταβλητής. Τα μοντέλα FARΜΑX προσφέρουν επιπλέον ευελιξία σε σχέση με τα μοντέλα FARX εξαιτίας της εισαγωγής του πολυωνύμου ΜΑ. Για τα μοντέλα αυτά αναπτύσσονται επίσης κατάλληλες μεθοδολογίες εκτίμησης που βασίζονται στη μέγιστη πιθανοφάνεια και στην αρχή του σφάλματος πρόβλεψης. Επιπλέον, διαμορφώνονται δύο ακόμη μέθοδοι εκτίμησης που βασίζονται στην ελαχιστοποίηση του σφάλματος πρόβλεψης μέσω διαδοχικών γραμμικών σταδίων, οι οποίες παρουσιάζουν κάποια πρακτικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις προηγούμενες, μπορούν να συνδυαστούν με αυτές, αλλά απαιτούν την ανάπτυξη κατάλληλης άλγεβρας για τα μοντέλα FARΜΑX. Επίσης, μελετώνται ζητήματα όπως η συνέπεια και η ασυμπτωτική κατανομή της εκτιμήτριας σφάλματος πρόβλεψης. Η αποτίμηση όλων των μεθόδων εκτίμησης πραγματοποιείται μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo. Τέλος, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αναπτύσσεται καινοτόμος μεθοδολογία ανίχνευσης, προσδιορισμού και εκτίμησης βλαβών σε δυναμικά συστήματα, η οποία βασίζεται στις νέες κλάσεις στοχαστικών συναρτησιακών μοντέλων των προηγούμενων κεφαλαίων. Η αποτίμηση της μεθοδολογίας πραγματοποιείται μέσω πειραματικής εφαρμογής σε διεθνές πρότυπο σκελετού αεροσκάφους υπό κλίμακα, όπου επιτυγχάνει με μεγάλη ακρίβεια, ανίχνευση, προσδιορισμό και εκτίμηση όλων των τύπων και μεγεθών βλάβης και επιπλέον ξεπερνά δυσκολίες που αντιμετωπίζουν άλλες τεχνικές της βιβλιογραφίας. / The aim of the present dissertation is the development of a new class of externally dependent stochastic functional models for the identification of dynamical systems under multiple operating conditions, which are defined by an external measurable variable (i.e. temperature, humidity, etc). The development of a novel methodology for fault diagnosis (fault detection, identification and estimation) in dynamical systems based upon the stochastic functional models is also an additional aim. The development of a proper method for fault detection, identification and estimation in structures under earthquake excitation is initially achieved. The method’s assessment was the motivation for the development of a novel methodology, which is based upon a new class of externally dependent stochastic functional models. These models are capable of accurately representing a structure for a certain type of fault in a continuous range of magnitudes by using a single mathematical representation parameterized in terms of the fault magnitude. It is noticed that such models are not referred in the literature until now. The most related families of models are found in sciences of statistics and econometrics. These models are mathematical representations without functional form and they are incapable of covering continuous ranges of values. Due to this fact, the new class of externally dependent stochastic Functional (F) AutoRegressive (AR) with eXogenous (X) excitation models, with parameters and innovations variance expressed as functions of a measurable external variable, is defined in the sequel of the dissertation. This functional dependence offers to the new class of models the important advantage of being used for: a) the identification of dynamical systems under multiple operating conditions which are defined by an external measurable variable and, b) fault detection, identification and estimation in stochastic dynamical systems where the external variable is the fault magnitude. Proper methods for FARX estimation are also developed and studied and their assessment is achieved via Monte Carlo simulations. In the following, the new class of externally dependent stochastic Functional (F) AutoRegressive (AR) Moving Average (MA) with eXogenous (X) excitation models, with parameters and innovations variance expressed as functions of a measurable external variable, is defined. The FARMAX models offer extra flexibility due to the MA part. Proper methods for FARMAX estimation, which are based upon the Maximum Likelihood and the Prediction Error principles, are also developed. Two further estimation methods are also formulated which are based upon minimization of the prediction error via successive linear stages. These methods offer some practical advantages comparing with the previous methods, they can be combined with the latter but they require the development of a proper algebra for FARMAX models. Additionally, the consistency and the asymptotic distribution of the prediction error estimator are considered. The assessment of all estimation methods is achieved via Monte Carlo simulations. In the last part of the dissertation a novel methodology for fault detection, identification and estimation in dynamical systems, which is based upon the new class of stochastic functional models of the previous chapters, is developed. The methodology’s assessment is accomplished via an experimental application in a prototype scale aircraft skeleton structure, where it achieves accurate fault detection, identification and estimation of several kinds and magnitudes of faults and also overcomes difficulties that are referred by other methods.

Η υπερθερμία αποτελεί μια επικουρική μέθοδο θεραπείας του καρκίνου και η βιοϊατρική έρευνα τις τελευταίες δεκαετίες, με σκοπό την εκμετάλλευση και την ανάδειξη των ιδιοτήτων της μεθόδου, στοχεύει στην εφαρμογή της στην κλινική πράξη. Μία προσπάθεια με παρόμοιο σκοπό γίνεται τα τελευταία χρόνια στο Εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών (ΕΜΟΙ) της σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών (ΗΜΜΥ) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, όπου έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί ένα σύστημα υπερθερμίας. Το προτεινόμενο σύστημα ενσωματώθηκε σε ένα τρισδιάστατο σύστημα παθητικής μικροκυματικής ραδιομετρικής απεικόνισης (ΜiRaIS) για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου, το οποίο μελετήθηκε και κατασκευάστηκε στα πλαίσια διδακτορικής διατριβής στο ίδιο εργαστήριο της σχολής ΗΜΜΥ. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται η θεωρητική και πειραματική μελέτη του προτεινόμενου συστήματος της υπερθερμίας. Η αρχή λειτουργίας του είναι όμοια με αυτή του MiRaIS και βασίζεται στη χρήση μια ελλειψοειδούς αγώγιμης κοιλότητας για εστίαση της ακτινοβολίας επιλεκτικά στους ιστούς που χρήζουν θεραπείας. Ο ανακλαστήρας για εστίαση, που κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική διαδικασία, βελτιώνει την εργονομία του συστήματος, διατηρώντας παράλληλα της ιδιότητες εστίασης του πρωτότυπου ελλειψοειδούς. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε θεωρητική μελέτη και μοντελοποίηση της διάταξης με σκοπό τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασής της, καθώς και πειραματικές μετρήσεις του συνολικού συστήματος υπερθερμίας-μικροκυματικής ραδιομετρίας. Στη θεωρητική μελέτη, με χρήση του λογισμικού xFDTD που βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου, ερευνώνται δυο μέθοδοι για τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος (βάθος διείσδυσης της ακτινοβολίας, χωρική διακριτική ικανότητα) με τη χρήση διηλεκτρικών υλικών. Τα υλικά αυτά τοποθετούνται στο εσωτερικό του ελλειψοειδούς καθώς και γύρω από το μοντέλο κεφαλιού ως στρώματα προσαρμογής για την επίτευξη βηματικής αλλαγής της διηλεκτρικής σταθεράς στη διεπιφάνεια αέρα-μοντέλο ανθρώπινου κεφαλιού. Στην πρώτη προσέγγιση, το εσωτερικό του ελλειψοειδούς ανακλαστήρα γεμίζει με διηλεκτρικό υλικό χαμηλών απωλειών, με τα αποτελέσματα να δείχνουν σημαντική βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Στη δεύτερη προσέγγιση του προβλήματος, χρησιμοποιείται ένα ημισφαίριο από διηλεκτρικό γύρω από το μοντέλο κεφαλιού, με τα αποτελέσματα να δείχνουν την αντίστοιχη βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας και παράλληλα σημαντική μείωση των ανεπιθύμητων περιοχών εστίασης της ενέργειας. Η πειραματική διάταξη τοποθετήθηκε σε ανηχοϊκό θάλαμο, όπου και πραγματοποιήθηκαν όλες οι μετρήσεις. Παράλληλα με τα πειράματα υπερθερμίας, μελετήθηκε η δυνατότητα εφαρμογής της μεθόδου της μικροκυματικής ραδιομετρίας με τη γεωμετρία του προτεινόμενου συστήματος. Η μέθοδος της μικροκυματικής ραδιομετρίας θα μπορούσε να παρέχει τον έλεγχο της θερμοκρασίας της ακτινοβολούμενης περιοχής κατά τη διάρκεια των συνεδριών της υπερθερμίας. Στις πειραματικές διαδικασίες που ακολουθήθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν ομοιώματα νερού, τα οποία στη φάση της υπερθερμίας υπέδειξαν τις περιοχές εστίασης της ενέργειας για τη συχνότητα ακτινοβολίας, ενώ στη φάση της μικροκυματικής ραδιομετρίας βοήθησαν στη μελέτη της θερμοκρασιακής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Επίσης, διενεργήθηκαν μετρήσεις με στρώματα προσαρμογής από διηλεκτρικά υλικά, τα οποία τοποθετούνταν γύρω από το αντικείμενο ενδιαφέροντος, για την πληρέστερη κατανόηση της επίδρασης των υλικών αυτών στις ιδιότητες εστίασης του συστήματος και για την επιβεβαίωση των αντίστοιχων θεωρητικών αποτελεσμάτων. / The application of hyperthermia process has been widely used in clinical research and efforts are being made for its implementation in clinical practice, as many researchers have used this method as an adjunct treatment procedure for cancer. During the past two decades, a great deal of research has been carried out, with the aim of developing effective techniques for hyperthermia treatment, primarily using RF, microwave, and ultrasound energy. A similar effort is carried out in the Laboratory of Microwaves and Fiber Optics (MFOL), School of Electrical and Computer Engineering, National Technical University of Athens (NTUA), where a proposed hyperthermia system has been designed and constructed. A system for deep brain hyperthermia treatment, designed to also provide passive measurements of temperature and/or conductivity variations inside the human body, is presented in this paper. The proposed system comprises both therapeutic and diagnostic modules, operating in a totally contactless way, based on the use of an ellipsoidal beamformer to achieve focusing on the areas under treatment and monitoring. The radiometry monitoring module, the Three Dimensional Passive Microwave Radiometry Imaging System (MiRaIS), has been studied, designed and constructed in the framework of a PhD thesis in the same laboratory of MFOL. In the present thesis, the proposed system is theoretically and experimentally studied. The operation principal is based on the use of an ellipsoidal conductive wall cavity for focusing the emitted radiation on the tissues that should accept treatment. The ellipsoidal cavity, which was constructed and used in the experimentation procedure, is newly developed and improves the system’s ergonomy retaining at the same time the focusing properties of the prototype system. In the framework of the present study, theoretical modelling and experimentation of the proposed system was carried out in order to examine and improve its focusing attributes. In the theoretical study, two methods for the improvement of the system’s focusing properties (e.g. penetration depth of the electromagnetic field, spatial sensitivity) using dielectric materials are tested with the use of a commercially available software tool, xFDTD (x-Finite Difference Time Domain). The materials are placed inside the ellipsoidal or used as matching layers around the head model for the achievement of a stepped change of the refraction index on the air-human head model interface. In the first approach, the ellipsoidal volume is filled with a low loss dielectric material in order to improve the system’s spatial sensitivity. In the second approach, a hemi-sphere also filled with a dielectric material is placed around the human head model and the results revealed the improvement of the system’s spatial sensitivity and the reduction of the undesirable auxiliary energy-absorbing areas. The experiments were performed inside an anechoic chamber providing maximum accuracy by avoiding any external interference. Along with the hyperthermia experiments, the implementation of the microwave radiometry process was also tested with the proposed system. Microwave radiometry could provide the temperature monitoring of the radiated area during the hyperthermia sessions. In the experimental procedures water phantoms were used, which during hyperthermia indicated the energy-absorbing areas at the irradiation frequency, and during microwave radiometry revealed the system’s temperature sensitivity. Also, measurements were conducted using dielectric matching layers, placed around the medium of interest, in order to fully understand the effect of those materials on the system’s focusing properties as well as to confirm the respective theoretical results. Taking into consideration the present study and the advantage of the non invasive character of the proposed brain hyperthermia system, it is concluded that further research is required in order to explore its potentials at becoming a part of the standard treatment protocol of brain malignancy in the future.

Η βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς εδαφικών και βραχωδών σχηματισμών επιτυγχάνεται συχνά με τη μέθοδο των ενέσεων. Οι ενέσεις εμποτισμού είναι ο παλαιότερος τύπος ενέσεων που αναπτύχθηκε, είναι, οι συχνότερα χρησιμοποιούμενες, έχουν το ευρύτερο φάσμα εφαρμογών και διακρίνονται σε αιωρήματα και χημικά διαλύματα. Τα πιο γνωστά αιωρήματα και διαλύματα είναι αυτά του τσιμέντου και του πυριτικού νατρίου. Τα αιωρήματα έχουν χαμηλό κόστος και είναι αβλαβή για το περιβάλλον, όμως έχουν περιορισμένο πεδίο εφαρμογής που φθάνει μέχρι τις χονδρόκοκκες άμμους. Αντίθετα, τα διαλύματα μπορούν να εμποτίσουν μέχρι και λεπτόκοκκες άμμους ή και χονδρόκοκκες ιλύες, όμως έχουν σημαντικά υψηλότερο κόστος και, μερικά από αυτά, είναι επιβλαβή για το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Για τους λόγους αυτούς γίνεται προσπάθεια να αντικατασταθούν τα χημικά διαλύματα με αβλαβή για το περιβάλλον αιωρήματα που να έχουν το ίδιο πεδίο εφαρμογής. Η προσπάθεια αυτή οδήγησε στην ανάπτυξη των αιωρημάτων λεπτόκοκκων τσιμέντων, με τα πρώτα προϊόντα να εμφανίζονται στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Με την πάροδο του χρόνου, αναπτύχθηκε ένας σχετικά μικρός αριθμός λεπτόκοκκων τσιμέντων που διατίθενται στην αγορά και έχουν κόστος εφαρμογής μεταξύ του κόστους των κοινών τσιμέντων και του κόστους των χημικών διαλυμάτων. Κατά την τελευταία δεκαετία, παρατηρείται διεθνώς αυξημένο ενδιαφέρον για τη δημιουργία και την τεκμηρίωση των ιδιοτήτων νέων λεπτόκοκκων υλικών, με χαμηλότερο κόστος, για χρήση σε ενέσεις τύπου αιωρήματος. Για τις ανάγκες της εργαστηριακής διερεύνησης χρησιμοποιήθηκαν τρείς τύποι τσιμέντου. Ένα βιομηχανοποιημένο τσιμέντο, ένα καθαρό τσιμέντο Portland και ένα σύνθετο τσιμέντο Portland. Τα δύο τελευταία τσιμέντα, λειοτριβήθηκαν ώστε να προκύψει μία επιπλέον κοκκομετρική σύνθεση από το κάθε ένα με μέγιστο μεγέθος κόκκων 40μm. Ως εδάφη για την παραγωγή εμποτισμένων δοκιμίων, χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις διαφορετικής κοκκομετρικής διαβάθμισης ασβεστολιθικές άμμοι και μια χαλαζιακή άμμος Ottawa, με συντελεστές ομοιομορφίας, Cu, κυμαινόμενο μεταξύ 1.20 και 1.46 και χαρακτηριστικό μέγεθος κόκκων, d10, κυμαινόμενο από περίπου 0.3mm έως περίπου 2.0mm. Η έρευνα που εκτελέστηκε και αποτελεί το αντικείμενο αυτής της διατριβής περιλαμβάνει, αρχικά, την τεκμηρίωση των βασικών ιδιοτήτων των αιωρημάτων των τσιμέντων, με δοκιμές εξίδρωσης και ιξωδομέτρησης και τον εργαστηριακό έλεγχο της ενεσιμότητάς τους με δοκιμές εισπίεσης σε μικρά δοκίμια. Τα αποτελέσματα αυτής της διερεύνησης οδήγησαν στον προσδιορισμό του πεδίου εφαρμογής των αιωρημάτων και στη διαμόρφωση του προγράμματος δοκιμών για το κυρίως αντικείμενο της εργασίας, που σχεδιάστηκε και εκτελέστηκε ώστε να τεκμηριωθεί η δυναμική συμπεριφορά των εδαφών που εμποτίζονται με αιωρήματα λεπτόκοκκων και κοινών τσιμέντων. Για το σκοπό αυτό, έγινε παραγωγή εμποτισμένων δοκιμίων που υποβλήθηκαν σε εργαστηριακό έλεγχο (α) για τη μέτρηση των δυναμικών ιδιοτήτων τους, (β) για την αποτίμηση της επίδρασης σειράς παραμέτρων που σχετίζονται με τα χαρακτηριστικά των αιωρημάτων και των άμμων και τις διαδικασίες εκτέλεσης των δοκιμών και (γ) για την ποσοτικοποίηση της βελτίωσης που προκύπτει από τον εμποτισμό των εδαφών με αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων στις ιδιότητες και τη συμπεριφορά τους. Ο λόγος νερού προς τσιμέντο, Ν/Τ, είναι η πιο σημαντική παράμετρος που καθορίζει τις ιδιότητες και την συμπεριφορά των αιωρημάτων. Αύξηση του λόγου νερού προς τσιμέντο προκαλεί σημαντική βελτίωση των ρεολογικών χαρακτηριστικών, αλλά έχει δυσμενείς επιπτώσεις στο τελικό ποσοστό εξίδρωσης των αιωρημάτων και στην αντοχή των ιζημάτων των αιωρημάτων. Η λειοτρίβηση των τσιμέντων επηρεάζει σημαντικά τις τιμές του τελικού ποσοστού εξίδρωσης. Μείωση του μέγιστου μεγέθους κόκκου, dmax, από τα 100μm στα 40μm προκάλεσε μείωση έως και 50% στο τελικό ποσοστό εξίδρωσης. Αντίθετα, ο τύπος του τσιμέντου έχει μικρή επίδραση στο τελικό ποσοστό εξίδρωσης. Τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου I42.5 εμφανίζουν τις υψηλότερες τιμές και τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου ΙΙ32.5 τις χαμηλότερες. Ευσταθή αιωρήματα (τελικό ποσοστό εξίδρωσης μικρότερο του 5%) θεωρούνται μόνο τα αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, με λόγο Ν/Τ ίσο με 1:1 και μόνο τα αιωρήματα των υπόλοιπων λειοτριβημένων τσιμέντων (dmax= 40μm) με λόγο νερού προς τσιμέντο ίσο προς 0.6:1. Ο τύπος του τσιμέντου επηρεάζει τις τιμές του φαινομένου ιξώδους αλλά όχι σε σημαντικό βαθμό. Γενικά, τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου I42.5 έχουν τις υψηλότερες και τα αιωρήματα τσιμέντου τύπου ΙΙ32.5 τις μικρότερες τιμές φαινομένου ιξώδους. Οι τιμές του φαινομένου ιξώδους των αιωρημάτων τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5 είναι, σε γενικές γραμμές, υψηλές για εμποτισμό σε λεπτόκοκκα εδάφη. Συγκεκριμένα, για λόγους νερού προς τσιμέντο ίσους προς 1:1, 2:1 και 3:1 οι τιμές του φαινομένου ιξώδους κυμαίνονται από 70 έως 190cP, από 14 έως 32cP και από 6 έως 11cP, αντίστοιχα. Για τα πιο πυκνά αιωρήματα, είχαμε για λόγους Ν/Τ ίσους προς 0.6:1 και 0.8:1, τιμές του φαινομένου ιξώδους που κυμαίνονται από 690cP ως 1160cP και 105cP ως 410cP, αντίστοιχα. Οι τιμές του φαινομένου ιξώδους για το τσιμέντο Rheocem 650, λόγω της ταχύπηκτης φύσης του, μετρήθηκαν για χρόνο μικρότερο των 40min. Οι τιμές που αντιστοιχούν στο αρχικό φαινόμενο ιξώδες του αιωρήματος αυτού, είναι μικρότερες σε σχέση με τις τιμές των αιωρημάτων των υπόλοιπων τσιμέντων. Για λόγους νερού προς τσιμέντο ίσους προς 1:1, 2:1 και 3:1 οι τιμές του αρχικού φαινομένου ιξώδους ήταν 55cP, 12cP και 6cP, αντίστοιχα. Ο εργαστηριακός έλεγχος της συμπεριφοράς σε δυναμική φόρτιση των εμποτισμένων άμμων έγινε με χρήση κατάλληλων δοκιμίων (11.3cm ύψους και 5.0cm διαμέτρου) που παράγονταν χρησιμοποιώντας ειδική διάταξη εμποτισμού μονοδιάστατης ροής. Ο προσδιορισμός των δυναμικών χαρακτηριστικών των εμποτισμένων άμμων διερευνήθηκε με δοκιμές συντονισμού σε στρέψη και κάμψη, σε εικοσιεννέα(29) συνολικά δοκίμια. Από τα πρωτογενή δεδομένα των δοκιμών συντονισμού υπολογίστηκαν το μέτρο διάτμησης, G, το μέτρο ελαστικότητας, E, και ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, Dt και Df, για ευρύ φάσμα τιμών της περιβάλλουσας τάσης και της παραμόρφωσης. Από τα πρωτογενή δεδομένα των δοκιμών ήταν δυνατός ο υπολογισμός και του λόγου Poisson. Για κάθε ιδιότητα που εξετάζεται, γίνεται διερεύνηση της επίδρασης σειράς παραμέτρων που σχετίζονται με τις συνθήκες εκτέλεσης των εργαστηριακών δοκιμών (παραμόρφωση και περιβάλλουσα τάση) και με τα χαρακτηριστικά των συστατικών του εμποτισμένου εδάφους (λόγος νερού προς τσιμέντο, τύπος και κοκκομετρία του τσιμέντου και κοκκομετρία της άμμου). Για λόγους σύγκρισης και αποτίμησης της βελτίωσης που επιφέρει ο εμποτισμός με αιωρήματα τσιμέντου, όμοιες εργαστηριακές δοκιμές εκτελέστηκαν και σε δοκίμια καθαρής άμμου και καθαρού ιζήματος τσιμέντου. Ο λόγος νερού προς τσιμέντο του ενέματος είναι η σημαντικότερη παράμετρος που επηρεάζει τις τιμές του μέτρου διάτμησης, του λόγου απόσβεσης και του δυναμικού μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων. Ο τύπος του τσιμέντου, η κοκκομετρία του τσιμέντου και η κοκκομετρία της άμμου δεν αποτελούν ιδιαίτερα σημαντικές παραμέτρους. Η τιμές των δυναμικών ιδιοτήτων των εμποτισμένων άμμων εξαρτώνται τόσο από την τιμή της εφαρμοζόμενης περιβάλλουσας τάσης όσο και από την τιμή της αναπτυσσόμενης παραμόρφωσης κατά την εκτέλεση των εργαστηριακών μετρήσεων. Οι τιμές του μέτρου διάτμησης των εμποτισμένων άμμων, για τιμές της περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa, κυμαίνονται από 1200MPa έως 4100MPa για εύρος τιμών της διατμητικής παραμόρφωσης περίπου από 5∙10-5 % έως 2∙10-2 %. Οι τιμές του μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων, για τιμές της περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa, κυμαίνονται από 2600 έως 11500MPa για εύρος τιμών της ορθής παραμόρφωσης από περίπου 10-5 % έως 8∙10-3 %. Ο λόγος Poisson των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται γενικά από 0.22 έως 0.44, είναι άμεση συνάρτηση του λόγου νερού προς τσιμέντο και φαίνεται επίσης να επηρεάζεται από την κοκκομετρία της άμμου και λιγότερο από τον τύπο του τσιμέντου. Το τσιμέντο Rheocem 650 έδωσε μεγαλύτερες τιμές του λόγου Poisson σε σχέση με τα υπόλοιπα τσιμέντα, κατά 10% έως 20%. Για τα εμποτισμένα δοκίμια με ασταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, η μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 33% (από 3:1 σε 2:1) προκάλεσε μέτρια αύξηση των τιμών του μέτρου διάτμησης και μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων (κατά 20% έως 30% για την ασβεστολιθική άμμο και 40% για τη χαλαζιακή άμμο Ottawa). Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ασταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 33% (από 2:1 σε 1:1) προκάλεσε αύξηση των τιμών του μέτρου διάτμησης και μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων (κατά 40% έως 50%). Ομοίως, για τα εμποτισμένα δοκίμια με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 33% (από 2:1 σε 1:1) επέφερε σημαντική αύξηση του μέτρου διάτμησης και μέτρου ελαστικότητας (κατά 45% έως 60% για την ασβεστολιθική άμμο και 50% για τη χαλαζιακή άμμο Ottawa). Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση του λόγου Ν/Τ κατά 40% (από 1:1 σε 0.6:1) προκάλεσε μικρή αύξηση του μέτρου διάτμησης (κατά 20%). Ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 0.3% έως 3% για τιμές διατμητικής παραμόρφωσης από περίπου 5∙10-5 % έως 8∙10-2 % και για τιμές περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa. Για αύξηση της διατμητικής παραμόρφωσης από 10-4 σε 10-3 %, αυξάνεται από 120% έως 200% ,ενώ για αύξηση της διατμητικής παραμόρφωσης από 10-3 σε 10-2%, αυξάνεται από 50% έως 80%. Η αύξηση της τιμής της περιβάλλουσας τάσης από 0kPa έως 400kPa, προκαλεί, γενικά, μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης των εμποτισμένων άμμων κατά 5% έως 50% (10% κατά μέσο όρο). Ο λόγος απόσβεσης σε κάμψη των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 0.2% έως 3.2% για τιμές ορθής παραμόρφωσης από περίπου 2∙10-5 % έως 1∙10-2 % και για τιμές περιβάλλουσας τάσης από 0 έως 400kPa. Για αύξηση της διατμητικής παραμόρφωσης από 5•10-5 σε 5•10-4 %, αυξάνεται από 110% έως 180% ,ενώ για αύξηση της ορθής παραμόρφωσης από 5•10-4 σε 5•10-3 %, αυξάνεται από 40% έως 70%. Η αύξηση της τιμής της περιβάλλουσας τάσης από 0kPa έως 400kPa, προκαλεί, γενικά, μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης των εμποτισμένων άμμων κατά 5% έως 40% (10% κατά μέσο όρο). Για τα εμποτισμένα δοκίμια με ασταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, η μείωση του λόγου Ν/Τ από 3:1 σε 2:1 προκαλεί αύξηση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, από 20% έως και 60%. Ισόποση μείωση του λόγου Ν/Τ από 2:1 σε 1:1 προκαλεί αύξηση έως και κατά 40%. Μοναδική εξαίρεση ήταν η άμμος #30 - #50 όπου η μείωση του λόγου Ν/Τ από 3:1 σε 2:1, προκάλεσε μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη έως και 80% και του λόγου απόσβεσης σε κάμψη έως και 20%. Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ασταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση του λόγου Ν/Τ από 1:1 σε 0.8:1 προκαλεί αύξηση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, από 20% έως και 50%. Ομοίως, για τα εμποτισμένα δοκίμια με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντου Rheocem 650, η μείωση του λόγου Ν/Τ από 2:1 σε 1.25:1, προκάλεσε αύξηση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη έως και 20%. Για τους αντίστοιχους εμποτισμούς με ευσταθή αιωρήματα τσιμέντων Ι42.5 και ΙΙ32.5, η μείωση της τιμής του λόγου Ν/Τ από 0.8:1 σε 0.6:1 προκαλεί μείωση της τιμής του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη, έως και κατά 40%. Ο εμποτισμός των άμμων με αιωρήματα τσιμέντου προκαλεί σημαντική βελτίωση των τιμών του μέτρου διάτμησης, του μέτρου ελαστικότητας, του λόγου απόσβεσης σε στρέψη και κάμψη και του λόγου Poisson των καθαρών άμμων. Η σημαντικότερη παράμετρος που επηρεάζει τις τιμές των δυναμικών ιδιοτήτων των εμποτισμένων άμμων είναι ο λόγος νερού προς τσιμέντο και το τελικό ποσοστό εξίδρωσης του ενέματος, ενώ ο τύπος του τσιμέντου, η κοκκομετρία του τσιμέντου και η κοκκομετρία της άμμου δεν αποτελούν ιδιαίτερα σημαντικές παραμέτρους. Η βελτίωση του μέτρου διάτμησης, G, των εμποτισμένων άμμων, είναι όμοια με τη βελτίωση του μέτρου ελαστικότητας τους, Ε. Εμποτισμοί με ευσταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης των ασβεστολιθικών άμμων κατά 28 έως 10 φορές κατά μέσο όρο, για μεταβολή της πλευρικής τάσης από 50 έως 400kPa. Οι αντίστοιχοι εμποτισμοί με ασταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης κατά 15 έως 6 φορές κατά μέσο όρο, για την ίδια μεταβολή της πλευρικής τάσης. Εμποτισμοί με ευσταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο ελαστικότητας των ασβεστολιθικών άμμων κατά 31 έως 11 φορές, για μεταβολή της πλευρικής τάσης από 50 έως 400kPa. Οι αντίστοιχοι εμποτισμοί με ασταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης κατά 14 έως 6 φορές κατά μέσο όρο, για την ίδια μεταβολή της πλευρικής τάσης. Ο λόγος βελτίωσης του λόγου Poisson των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 1.0 έως 1.8. Για τα ευσταθή (ή κοντά στην ευστάθεια) αιωρήματα, η βελτίωση κυμάνθηκε μεταξύ 1.6 και 1.8 (1.7 κατά μέσο όρο). Για τα ασταθή αιωρήματα, η βελτίωση κυμάνθηκε μεταξύ 1.0 και 1.2 (1.1 κατά μέσο όρο). Ο λόγος ταχυτήτων και είναι ένας δείκτης αξιολόγησης της μακροσκοπικής συμπεριφοράς των εμποτισμένων εδαφών, αφού μπορεί να δώσει χρήσιμες πληροφορίες για παραμέτρους, όπως το πορώδες και η πυκνότητα των εμποτισμένων εδαφών. Για λόγους Ν/Τ μικρότερους του 1:1 (ευσταθή αιωρήματα), ο λόγος VP/VS είναι αρκετά υψηλός (>2.0), το οποίο ενδεχομένως να οφείλεται στην υψηλή συγκέντρωση τσιμέντου, το χαμηλό πορώδες και την υψηλή πυκνότητα των δοκιμίων, ενώ για λόγους Ν/Τ μεγαλύτερους του 2:1 (ασταθή αιωρήματα), ο λόγος ταχυτήτων είναι κατά μέσο όρο ίσος με 1.7. Η τιμή αυτή θα μπορούσε να προσομοιώσει τη δυναμική συμπεριφορά ενός ψαμμίτη. Εμποτισμοί με ευσταθή αιωρήματα βελτίωσαν το λόγο απόσβεσης των ασβεστολι-θικών άμμων κατά 1.65 έως 1.57 φορές, για μεταβολή της πλευρικής τάσης από 50 έως 400kPa. Οι αντίστοιχοι εμποτισμοί με ασταθή αιωρήματα βελτίωσαν το μέτρο διάτμησης κατά 1.3 φορές κατά μέσο όρο και κατά 1.35 φορές κατά μέσο όρο, για την ίδια μεταβολή της πλευρικής τάσης. Παρατηρείται συνεπώς ότι η περιβάλλουσα τάση δεν επηρεάζει ουσιαστικά τη βελτίωση του λόγου απόσβεσης. Η βελτίωση του λόγου απόσβεσης σε στρέψη, Dt, των εμποτισμένων άμμων, είναι όμοια με τη βελτίωση του λόγου απόσβεσης σε κάμψη, Df. Το τσιμέντο Rheocem 650 έδωσε μεγαλύτερη βελτίωση του λόγου απόσβεσης σε στρέψη (έως και 40%) και περίπου ίδια βελτίωση (κατά μέσο όρο) του λόγου απόσβεσης σε κάμψη των εμποτισμένων άμμων σε σχέση με τα τσιμέντα Ι42.5 και ΙΙ32.5. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τσιμέντο Rheocem 650, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 7.3 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 5.8 φορές. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τα τσιμέντα I42.5 και ΙΙ32.5, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 4.2 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 3.0 φορές. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τσιμέντο Rheocem 650, ο λόγος απόσβεσης σε κάμψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 5.1 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 3.9 φορές. Για τα ευσταθή αιωρήματα με τα τσιμέντα I42.5 και ΙΙ32.5, ο λόγος απόσβεσης σε κάμψη των καθαρών άμμων, βελτιώθηκε έως και 6.5 φορές. Για τα ασταθή αιωρήματα του ίδιου τσιμέντου, ο λόγος απόσβεσης σε στρέψη, βελτιώθηκε έως και 5.2 φορές. Τόσο για τα πυκνά αιωρήματα, όσο και για τα αραιά, ο λόγος DF/DΤ είναι κατά μέσο όρο ίσος με 1.2. / -

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.

In this thesis we design and develop algorithms for predicting the rheological behavior of polymer melts based on the results of detailed atomistic simulations and guided by theories of the Dynamics of Polymers and fundamental Principles of Science of the Non-Equilibrium Thermodynamics. More specifically: 1) We propose a new rheological constitutive model for the time evolution of the tensor conformation tensor C of chains in a polymer melt (and hence the stress tensor τ) using the generalized bracket formalism of Beris and Edwards. The new constitutive model includes terms that describe a whole range of phenomena and are successfully used to describe the rheological properties of commercial polyethylene resins. 2) We developed a new methodology that allows direct connection of the results of atomistic simulations with molecular reptation theory for entangled polymers. The final result of the methodology is the calculation of the function ψ(s,t) which expresses the probability that the segment s along the contour of the primitive path remain in the original tube after time t. 3) We extended the Rouse theory for systems without polymer chain ends, as the polymer rings. While there have been previous theoretical work, a comprehensive analysis of the Rouse model of cyclic polymers was still lacking; here we develop the theory in its entirety. / Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής σχεδιάσαμε και αναπτύξαμε αλγορίθμους πρόβλεψης της ρεολογικής συμπεριφοράς πολυμερικών τηγμάτων βασιζόμενοι στα αποτελέσματα λεπτομερών ατομιστικών προσομοιώσεων, καθοδηγούμενοι όμως από Θεωρίες της Δυναμικής των Πολυμερών αλλά και από θεμελιώδεις αρχές της Επιστήμης της Θερμοδυναμικής Εκτός Ισορροπίας. Πιο συγκεκριμένα: 1) Προτείνουμε αρχικά ένα νέο ρεολογικό καταστατικό μοντέλο για τη χρονική εξέλιξη του τανυστή διαμορφώσεων C των αλυσίδων σε ένα πολυμερικό τήγμα (και κατ’ επέκταση για τον τανυστή των τάσεων τ) κάνοντας χρήση του φορμαλισμού των γενικευμένων αγκυλών των Beris και Edwards. Το νέο καταστατικό μοντέλο περιλαμβάνει όρους που περιγράφουν ένα ολόκληρο φάσμα φαινομένων και χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία για την περιγραφή των ρεολογικών ιδιοτήτων εμπορικών ρητινών πολυαιθυλενίου. 2) Αναπτύξαμε μια καινούργια μεθοδολογία που επιτρέπει την άμεση σύνδεση των αποτελεσμάτων των ατομιστικών προσομοιώσεων με τη μοριακή θεωρία του ερπυσμού για διαπλεγμένα πολυμερή. Το τελικό αποτέλεσμα της μεθοδολογίας είναι ο υπολογισμός της συνάρτησης ψ(s,t) που εκφράζει την πιθανότητα το σημείο s κατά μήκος του περιγράμματος του πρωτογενούς δρόμου των αλυσίδων να παραμένει στον αρχικό σωλήνα μετά από χρόνο t. Επεκτείναμε τη θεωρία Rouse και για συστήματα πολυμερικών αλυσίδων δίχως άκρα, όπως αυτά των πολυμερικών δακτυλίων. Παρότι στίγματα της θεωρίας είχαν παρουσιαστεί και σε προηγούμενες εργασίες από άλλους ερευνητές, στην παρούσα διατριβή αναπτύξαμε τη θεωρία στην ολότητά της.