It is well-known that, increasing the flow rate in polymer extrusion, the flow becomes unstable and the smooth extrudate surface becomes wavy and disordered to an increasing degree. In order to investigate the mechanisms responsible for these instabilities we perform a linear stability analysis of the steady extrusion of a viscoelastic fluid flowing through a planar die under creeping flow conditions. We consider the Phan-Thien-Tanner (PTT) model to account for the viscoelasticity of the material. We employ the mixed finite element method combined with an elliptic grid generator to account for the deformable shape of the interface. The generalized eigenvalue problem is solved using Arnoldi’s algorithm. We perform a thorough parametric study in order to determine the effects of all material properties and rheological parameters. We investigate in detail the effect of interfacial tension and the presence of a deformable interface. It is found that the presence of a finite surface tension destabilizes the flow as compared to the case of the stick-slip flow. We recognize two modes which are found to become unstable beyond a critical value of the Weissenberg number and perform an energy analysis to examine the mechanisms responsible for the destabilization of the flow and compare against the mechanisms that have been suggested in the literature. / --

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκε ένα τρισδιάστατο παραµετρικό µοντέλο Προοδευτικής Βλάβης (ΠΒ) για την προσοµοίωση της µηχανικής συµπεριφοράς των σύνθετων υλικών σε εφελκυσµό και κόπωση. Το µοντέλο αναπτύχθηκε µε τέτοιο τρόπο, ώστε να µπορεί να εφαρµοστεί µε µικρές τροποποιήσεις σε οποιοδήποτε κατασκευαστικό στοιχείο από σύνθετα υλικά. Αποτελείται από τις συνιστώσες της τρισδιάστατης ανάλυσης τάσεων, η οποία πραγµατοποιείται µε την µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων, της ανάλυσης αστοχίας, η οποία πραγµατοποιείται µε πολυωνυµικά κριτήρια αστοχίας και της υποβάθµισης των ιδιοτήτων του σύνθετου υλικού, η οποία πραγµατοποιείται µε χρήση κανόνων υποβάθµισης. Οι συνιστώσες αυτές, λειτουργούν µε βάση έναν επαναληπτικό αλγόριθµο, ο οποίος σταµατά όταν επαληθευτεί ένα προκαθορισµένο κριτήριο τελικής αστοχίας. Στο σηµείο αυτό, καθορίζεται η αποµένουσα αντοχή του κατασκευαστικού στοιχείου. Όλες οι συνιστώσες του µοντέλου προγραµµατίστηκαν στον κώδικα πεπερασµένων στοιχείων ANSYS, δηµιουργώντας µια εύχρηστη µακρο-ρουτίνα. Το µοντέλο ΠΒ έχει την δυνατότητα να εκτιµά την έναρξη και διάδοση βλάβης συναρτήσει του φορτίου, την δυσκαµψία και την αποµένουσα αντοχή του κατασκευαστικού στοιχείου στο οποίο εφαρµόζεται. Εφαρµογή του µοντέλου ΠΒ έγινε στο πρόβληµα των µηχανικών συνδέσεων πολύστρωτων πλακών υπό εφελκυστικά φορτία, το οποίο δεν έχει αντιµετωπιστεί επιτυχώς θεωρητικά µέχρι σήµερα, κυρίως λόγω της αδυναµίας υπολογισµού του τρισδιάστατου πολύπλοκου τασικού πεδίου, που αναπτύσσεται γύρω από τον ήλο και των πολύπλοκων µηχανισµών αστοχίας που αναπτύσσονται στο σύνθετο υλικό. Η µηχανική σύνδεση που µοντελοποιήθηκε, αποτελούνταν από µια πολύστρωτη πλάκα, µια πλάκα από αλουµίνιο και έναν ήλο µε προεξέχον κεφάλι. Για τον υπολογισµό των τάσεων αναπτύχθηκε ένα τρισδιάστατο µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων της σύνδεσης στον 102 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10: Περίληψη-Συµπεράσµατα • • • κώδικα ANSYS. Ιδιαίτερη έµφαση δόθηκε στην λεπτοµερή µοντελοποίηση της περιοχής γύρω από τον ήλο. Όλες οι πιθανές επαφές µεταξύ των µελών της σύνδεσης µοντελοποιήθηκαν. Η σύσφιξη της σύνδεσης προσοµοιώθηκε ως ένα αρχικό-ξεχωριστό βήµα φόρτισης. Το µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων επαληθεύτηκε εκτενώς, µέσω συγκρίσεων διαφορετικών τασικών κατανοµών µε αντίστοιχες αριθµητικές και αναλυτικές λύσεις. Η εφαρµογή του µοντέλου ΠΒ στην µηχανική σύνδεση, αποτελεί συγχρόνως και έλεγχο των δυνατοτήτων του. Τα αποτελέσµατα της εφαρµογής είναι: η εκτίµηση της έναρξης και διάδοσης βλάβης στην πολύστρωτη πλάκα συναρτήσει του φορτίου, ο µακροσκοπικός µηχανισµός αστοχίας, η δυσκαµψία και η αποµένουσα αντοχή της σύνδεσης. Για την εκτίµηση της επίδρασης της γεωµετρίας της σύνδεσης στην διάδοση βλάβης και στον µακροσκοπικό µηχανισµό αστοχίας της σύνδεσης, πραγµατοποιήθηκε µια παραµετρική ανάλυση, στην οποία µεταβάλλονταν οι γεωµετρικοί λόγοι e/d και w/d που καθορίζουν την θέση του ήλου. Παρατηρήθηκε ότι: στους µικρούς λόγους w/d (ο ήλος είναι κοντά στο πλαϊνό άκρο της πλάκας) ο µακροσκοπικός µηχανισµός αστοχίας ήταν ‘εφελκυσµός’, ενώ στους µεγάλους ‘εισχώρηση’, στους µικρούς λόγους e/d (ο ήλος είναι κοντά στο κάτω άκρο της πλάκας) ο µηχανισµός ήταν ‘διάτµηση’ και για µεγάλους ‘εισχώρηση’, ενώ σε δύο γεωµετρίες, παρατηρήθηκαν µικτές αστοχίες (‘διάτµηση’-‘εισχώρηση’ και ‘εφελκυσµός’-‘εισχώρηση’). Οι µηχανισµοί αστοχίας της ‘διάτµησης’ και του ‘εφελκυσµού’ οδήγησαν σε µικρότερες αντοχές των συνδέσεων σε σχέση µε την ‘εισχώρηση’. Όλες οι εκτιµήσεις που αφορούν την έναρξη και διάδοση βλάβης, καθώς και τον µακροσκοπικό µηχανισµό αστοχίας των συνδέσεων, επαληθεύτηκαν από αντίστοιχα αριθµητικά και πειραµατικά αποτελέσµατα που αντλήθηκαν από την βιβλιογραφία. Η καταλληλότητα των κριτηρίων αστοχίας και των κανόνων υποβάθµισης ιδιοτήτων, καθώς και η επίδραση τους στα αποτελέσµατα του µοντέλου, µελετήθηκαν για πρώτη φορά σε ένα µοντέλο ΠΒ. Η µελέτη πραγµατοποιήθηκε, µέσω σύγκρισης της εκτίµησης της δυσκαµψίας και αποµένουσας αντοχής συνδέσεων διαφορετικής γεωµετρίας και αλληλουχίας στρώσεων, µε αντίστοιχα πειραµατικά αποτελέσµατα από την βιβλιογραφία. Στα πλαίσια αυτής της µελέτης, προτάθηκαν δύο νέες οµάδες κριτηρίων αστοχίας και κανόνων υποβάθµισης η καταλληλότητα των οποίων, συγκρίθηκε µε αυτήν των οµάδων που χρησιµοποιήθηκαν αρχικά στο µοντέλο. Τα αποτελέσµατα της µελέτης συνοψίζονται ως εξής: 103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10: Περίληψη-Συµπεράσµατα • • • • • η εκτίµηση της δυσκαµψίας της σύνδεσης, ήταν ικανοποιητική σε όλες τις περιπτώσεις και δεν επηρεάστηκε από τον εκάστοτε συνδυασµό των κριτηρίων αστοχίας και κανόνων υποβάθµισης, η εκτίµηση της αποµένουσας αντοχής της σύνδεσης, επηρεάστηκε σε µεγάλο βαθµό από τον εκάστοτε συνδυασµό των κριτηρίων αστοχίας και κανόνων υποβάθµισης. Συγκεκριµένα, η ανάλυση µε τον συνδυασµό των αρχικών οµάδων κριτηρίων αστοχίας και κανόνων υποβάθµισης, έδωσε αρκετά συντηρητικές προβλέψεις σε όλες τις γεωµετρίες της σύνδεσης (απόκλιση από τα πειράµατα 35-40%), ενώ η ανάλυση µε τον συνδυασµό των νέων οµάδων, έδωσε πολύ ικανοποιητικές εκτιµήσεις της αποµένουσας αντοχής που εµφάνισαν απόκλιση από τα πειράµατα η οποία κυµαινόταν από 1.6 µέχρι 6%. Στην συνέχεια, το µοντέλο ΠΒ επεκτάθηκε-τροποποιήθηκε, ώστε να δύναται να εφαρµοστεί σε περιπτώσεις φόρτισης κόπωσης (µοντέλο Προοδευτικής Βλάβης Κόπωσης (ΠΒΚ)). Η βασική διαφορά του µοντέλου ΠΒΚ µε το µοντέλο ΠΒ έγκειται στην προσοµοίωση της κυκλικής φόρτισης και την προσθήκη στην υποβάθµιση του σύνθετου υλικό λόγω τοπικών αστοχιών, της υποβάθµισης λόγω κόπωσης, η οποία οφείλεται στην φύση της κυκλικής φόρτισης. Για την προσοµοίωση της κυκλικής φόρτισης αναπτύχθηκε στην παρούσα εργασία µια νέα µεθοδολογία, η οποία: η εφαρµογή της οποίας απαιτεί την εκτέλεση µικρού αριθµού βηµάτων φόρτισης, λαµβάνει υπόψη τον εκάστοτε λόγο τάσεων R της φόρτισης, και µπορεί να εφαρµοστεί για κυκλική φόρτιση οποιουδήποτε λόγου τάσεων. Η υποβάθµιση λόγω κόπωσης εφαρµόζεται σε επίπεδο δυσκαµψίας και αντοχής και είναι συνάρτηση των κύκλων φόρτισης. Για την προσοµοίωση της στην παρούσα εργασία, αναπτύχθηκε µια µεθοδολογία, η οποία απαιτεί για να εφαρµοστεί µικρό αριθµό πειραµάτων. Το µοντέλο ΠΒΚ είναι επίσης παραµετρικό, αφού µπορεί να εφαρµοστεί σε οποιοδήποτε κατασκευαστικό στοιχείο υποβαλλόµενο σε κόπωση σταθερού εύρους οποιουδήποτε λόγου τάσεων, απαιτώντας δεδοµένα από µικρό αριθµό πειραµάτων, µέσα από τα οποία θα γίνει η προσοµοίωση της υποβάθµισης λόγω κόπωσης του συγκεκριµένου υλικού. Το µοντέλο ΠΒΚ έχει την δυνατότητα να εκτιµά την διάδοση βλάβης κόπωσης συναρτήσει του αριθµού των κύκλων και την διάρκεια ζωής της κατασκευαστικού στοιχείου στο οποίο εφαρµόζεται. Εφαρµογή του µοντέλου ΠΒΚ έγινε σε πολυµερή πολύστρωτες πλάκες από δύο διαφορετικά σύνθετα υλικά (Fiberdux-HTA/6376 και APC-2), οι οποίες υποβάλλονται σε κόπωση εφελκυσµού-θλίψης (R=-1). Για την προσοµοίωση της υποβάθµισης λόγω κόπωσης και την επαλήθευση των τελικών αποτελεσµάτων του µοντέλου, 104 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10: Περίληψη-Συµπεράσµατα χρησιµοποιήθηκαν πειραµατικά αποτελέσµατα που υπήρχαν στο εργαστήριο Τεχνολογίας & Αντοχής Υλικών. Παρουσιάστηκε η εκτίµηση του µοντέλου για την διάδοση της διαστρωµατικής αποκόλλησης και της αστοχίας των ινών σε µια περίπτωση χαµηλής και µια υψηλής µέγιστης τάσης κόπωσης, αντίστοιχα. Η διάδοση αυτών των µηχανισµών αστοχίας επιλέχτηκε διότι ο βαθµός συσσώρευσης τους χρησιµοποιήθηκε από το µοντέλο ως κριτήριο τελικής αστοχίας. Επίσης, η εκτίµηση της διάδοσης της διαστρωµατικής αποκόλλησης, για διαφορετικά ποσοστά της διάρκειας ζωής µιας Fiberdux-HTA/6376 πολύστρωτης πλάκας, συγκρίθηκε µε αντίστοιχά πειραµατικά αποτελέσµατα (C-scan γραφήµατα). Η σύγκριση έδειξε καλή συµφωνία, όσον αφορά την διαστρωµατική αποκόλληση που αναπτύχθηκε στα ελεύθερα άκρα των πλακών. Και στις δύο περιπτώσεις, η διαστρωµατική αποκόλληση αναπτύχθηκε στα ελεύθερα άκρα λόγω υψηλών διαστρωµατικών τάσεων στους πρώτους κύκλους φόρτισης και διαδόθηκε προς το εσωτερικό της πλάκας. Ωστόσο, η διάδοση της διαστρωµατικής αποκόλλησης που αναπτύχθηκε στις εσωτερικές περιοχές αρχικής βλάβης, δεν ήταν δυνατόν να προβλεφτεί, εξαιτίας του ότι στο µοντέλο ΠΒΚ δεν προσοµοιώθηκε η αρχική βλάβη. Τέλος, µε βάση την διάδοση βλάβης και την χρήση κατάλληλων κριτηρίων τελικής αστοχίας, εκτιµήθηκε, για διαφορετικά επίπεδα µέγιστης τάσης, η διάρκεια ζωής σε κόπωση εφελκυσµού-θλίψης (R=-1) των δύο πολύστρωτων πλακών και κατασκευάστηκαν οι αντίστοιχες καµπύλες S-N. Η σύγκριση µεταξύ των εκτιµηθέντων και πειραµατικών καµπυλών S-N, έδειξε µια αρκετά ικανοποιητική συσχέτιση, η οποία ήταν όµως διαφορετική για τα δύο υλικά. Η διαφοροποίηση αυτή οφείλεται στο συνδυασµό της πειραµατικής διασποράς µε το σφάλµα που επεισέρχεται στο µοντέλο από τον τρόπο προσοµοίωσης της υποβάθµισης της δυσκαµψίας και αντοχής λόγω κόπωσης (προσαρµογή των πειραµατικών σηµείων σε κάθε επίπεδο τάσης). / In this thesis a three-dimensional progressive damage model was developed to simulate the mechanical behaviour of composite structural components under tesnile and fatigue loading. First the model was used to simulate the mechanical behaviour of composite bolted joints under tensile loading. The model was able to simulate the initation and propagation of damage with increased load and to assess the macroscopic failure mode, stiffness and residual strenght of the joint. The numerical predictions were verified with experimental results. The model was then used to simulate the mechanical behaviour of CFRP laminates in tension-compression fatigue. The model was able to simulate the progression of fatigue damage and to evaluate the fatigue life of CFRP plates. The different model components were implemented into the ANSYS FE CODE using a parametric macro-routine.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη προτύπων πεπερασμένων στοιχείων ικανών να προσομοιώσουν την μορφική και δυναμική απόκριση ευφυών δοκών με διαστρωματική αποκόλληση. Έμφαση δίνεται στη χρήση πιεζοηλεκτρικών διεγερτών και αισθητήρων. Στη πρώτη ενότητα πραγματοποιούνται πειραματικές μετρήσεις σε δοκούς με αποκόλληση χρησιμοποιώντας διάφορες μεθοδολογίες διέγερσης και δειγματοληψίας, οι οποίες περιλαμβάνουν πιεζοηλεκτρικά στοιχεία (actuators,sensors) εκτός των κλασικών μεθόδων (shaker, accelerometer). Από τις πειραματικές μετρήσεις διαπιστώνονται οι δυνατότητες χρήσης πιεζοηλεκτρικών στοιχείων ενώ ανιχνεύεται και ποσοτικοποιείται η επίδραση της ύπαρξης και έκτασης αποκόλλησης στα μορφικά χαρακτηριστικά των δοκών. Στη συνέχεια διατυπώνονται μοντέλα μεσομηχανικής αποσκοπώντας στη προσομοίωση της ηλεκτρομηχανικής συμπεριφοράς ευφυών δοκών με αποκόλληση. Τα πρότυπα αυτά είναι συζευγμένα ηλεκτρομηχανικά και με τη χρήση κατάλληλου πεπερασμένου στοιχείου δοκού οδηγούν στο ηλεκτρομηχανικό σύστημα το οποίο χρησιμοποιείται για να προβλέψει τη στατική και μορφική απόκριση δοκών με διαστρωματική αποκόλληση. Στην επόμενη ενότητα τα πρότυπα μεσομηχανικής καθώς και το πεπερασμένο στοιχείο επεκτείνονται, έτσι ώστε να επιβάλλονται με φυσικό τρόπο συνθήκες επαφής και περιορισμού της οριζόντιας κίνησης (τριβής) μεταξύ των δύο μερών της αποκόλλησης. Το συζευγμένο μη‐γραμμικό ηλεκτρομηχανικό σύστημα που προκύπτει χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει τη μεταβατική απόκριση δοκών με αποκόλληση και επαληθεύεται με πειραματικές μετρήσεις. Τέλος παρουσιάζεται ένα δισδιάστατο πρότυπο πεπερασμένο στοιχείο ευφυούς δοκού με αποκόλληση. Στο πρότυπο αυτό τα μοντέλα μεσομηχανικής επεκτείνονται περιλαμβάνοντας μεταβλητό πεδίο επίπεδων και εγκάρσιων αξονικών μετατοπίσεων, αποτελώντας τις δύο διαστάσεις του μοντέλου ώστε να προβλέψει τη στατική, μορφική και δυναμική απόκριση δοκών μεγάλου πάχους με αποκόλληση σε υψηλές συχνότητες. Χρησιμοποιείται για να προσομοιάσει συμμετρικές κατά το πάχος ιδιομορφές και την κυματική διάδοση υψηλών συχνοτήτων ευφυών δοκών με αποκόλληση. Τέλος τα μοντέλα εφαρμόζονται για τον περαιτέρω προσδιορισμό της βλάβης μέσα από την απόκριση χρόνου‐συχνότητας. / -

Τα δομικά στοιχεία των μηχανολογικών κατασκευών υπόκεινται σε επαναλαμβανόμενες κυκλικές καταπονήσεις, από τις οποίες δημιουργούνται και διαδίδονται ρωγμές. Οι καταπονήσεις αυτές, οι οποίες προκαλούν κόπωση στις κατασκευές, μπορεί να είναι είτε καθαρά μηχανικές είτε θερμικές ή να προκύπτουν σα συνδυασμός θερμικής και μηχανικής φόρτισης. Τυπικές περιπτώσεις θερμικών και θερμομηχανικών φορτίσεων εμφανίζονται σε κατασκευές, όπως σωλήνες κυκλωμάτων ψύξης, πιεστικά δοχεία, συνιστώσες ηλεκτρικών κυκλωμάτων, θάλαμοι μηχανών εσωτερικής καύσης και πτερύγια στροβιλοκινητήρων. Η κυκλική μεταβολή του θερμικού φορτίου στις προαναφερθείσες περιπτώσεις, συνιστά συνθήκες θερμικής κόπωσης. Επίσης, λόγω της σχετικά υψηλής συχνότητας του φορτίου η θερμοκρασία παρουσιάζει έντονη μεταβολή στο χώρο και στο χρόνο. Ο προσδιορισμός της διάρκειας ζωής ενός δομικού στοιχείου κατά τη φάση του σχεδιασμού μπορεί να γίνει με τη βοήθεια πειραματικών διαδικασιών. Τα πειράματα όμως κόπωσης είναι δαπανηρά και χρονοβόρα και προφανώς απαιτούνται περισσότερες από μια πειραματικές δοκιμές. Οπότε, είναι εύλογο να υπάρχουν υπολογιστικά εργαλεία που να δίνουν τη δυνατότητα στο μηχανικό να εκτιμήσει την διάρκεια ζωής ή τη σοβαρότητα της βλάβης ενός εξαρτήματος. Τα περισσότερα υπολογιστικά μοντέλα αναφέρονται σε καθαρά μηχανικές καταπονήσεις. Έτσι υπάρχει πρόσφορο έδαφος για την ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων για την ανάλυση προβλημάτων θερμικής και θερμομηχανικής κόπωσης. Τέτοιου είδους εργαλεία θα πρέπει να λαμβάνουν υπόψη το κλείσιμο των ρωγμών, που συμβαίνει λόγω των θερμικών παραμορφώσεων, διότι είναι δυνατόν να επηρεάζεται τοπικά το θερμοκρασιακό πεδίο. Επομένως, χρειάζεται επαναληπτική διαδικασία για τον προσδιορισμό του θερμικού και τασικού πεδίου που αλληλεπιδρούν. Είναι προφανές ότι η ανάλυση της θερμικής κόπωσης εξελίσσεται σε συνθέτη διαδικασία, που θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει τον υπολογισμό της κατανομής της θερμοκρασίας, την τοπική επίδραση του άκρου της ρωγμής στο τασικό πεδίο καθώς και την επαφή των επιφανειών της ρωγμής. Η μέθοδος των συνοριακών στοιχείων είναι ικανή να αντιμετωπίζει τέτοιου είδους τοπικές επιδράσεις. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη υπολογιστικού εργαλείου βασισμένου στα συνοριακά στοιχεία, για την πρόβλεψη της διάδοσης ρωγμών και την εκτίμηση της διάρκειας ζωής, εξαρτημάτων υπό θερμική και θερμομηχανική κόπωση. Έμφαση δίνεται σε περιπτώσεις που το θερμικό φορτίο προκαλεί κλείσιμο της ρωγμής και σε περιπτώσεις διεπιφανειακών ρωγμών, όπου το θερμοκρασιακό πεδίο επηρεάζεται από την θερμική αντίσταση ανάμεσα στις επιφάνειες της ρωγμής. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση σε εργασίες που εστιάζουν σε φαινόμενα κόπωσης και διάδοσης ρωγμών, καθώς και στην ανάπτυξη υπολογιστικών μοντέλων για την πρόβλεψη της διάδοσης ρωγμών. Επιπλέον, προσδιορίζεται λεπτομερώς το αντικείμενο της παρούσας διατριβής και εξηγείται η συνεισφορά της και τα καινοτόμα σημεία της. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η ιδιόμορφη συμπεριφορά του άκρου της ρωγμής, δίνονται οι διατυπώσεις των μεγεθών θραύσης που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση της κόπωσης και αναφέρονται τρόποι με τους οποίους μελετάται η διάδοση ρωγμών. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται λεπτομερώς οι ολοκληρωτικές συνοριακές διατυπώσεις για την επίλυση προβλημάτων θερμοελαστικότητας. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται οι υπολογιστικές διαδικασίες που ακολουθούνται στην παρούσα εργασία για τον προσδιορισμό του πεδίου θερμοκρασιών και μετατοπίσεων, καθώς και ο τρόπος που προσομοιώνεται η διάδοση ρωγμής. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις αναλύσεις για διάφορες περιπτώσεις, ενώ στο έκτο κεφάλαιο εξάγονται συμπεράσματα και διατυπώνονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα. / The prediction of fatigue life is essential for the integrity and reliability of a structure when designing engineering components that undergo cyclic loading. In most cases, the mechanical cyclic loads are taken into account in order to evaluate the life and damage tolerance of structures with existing cracks. However, there exists a category of structures that experience severe thermal cycling that acts alongside the mechanical loads. Such structures include cooling system pipes, pressure vessels, pistons and combustion chambers of internal combustion engines, gas turbine blades and components of electrical circuits. Interfacial crack growth is of paramount importance when designing components that are protected by thermal barrier coatings in order to increase their endurance and efficiency. These types of structures are exposed to very intense thermo-mechanical cycling, which gradually causes delamination and eventually leads to spallation of the coating Numerical simulations, via the finite element method, are a common trend, when analysing the endurance of coated components. However, important aspects such as the heat exchange between the contacting faces and friction are not taken into account in fracture assessments of these components. The boundary element method is very attractive for crack-growth analyses because only the boundary is meshed, rather than the whole domain of the problem. In the present thesis, the boundary integral equations of uncoupled, time-dependent thermo-elasticity are employed to account for the time-varying nature of the thermal load. Our study discusses the influence of crack closure on quasi-static, sub-critical crack extension in the presence of thermo-mechanical cyclic loading. Appropriate thermal and mechanical boundary conditions are imposed on the numerical model to account for the contact state. The validity of the code to compute the temperature distribution under thermal cycling is checked through analytical solutions. Afterwards, a pure mode-I and mixed mode fracture problems in homogeneous material are analysed and the results are compared to other boundary element solutions. The singularity resulting from tractions and heat flux around the crack tip is effectively captured by singular quarter-point elements, while the fracture magnitudes can be computed using appropriate traction formulas. In these problems, the fatigue life is evaluated in terms of load cycle when the crack closure is considered. The number of cycles required for an existing crack to grow a certain length can be empirically predicted using the Paris’ law. The crack extension angle is evaluated by means of the maximum circumferential stress. The results are discussed, clearly indicating the impact of crack closure on fatigue life evaluation. The main conclusion is that crack closure should be incorporated into the analysis whenever the contact effect is inevitable. Otherwise, the fatigue life may be underestimated, leading to a conservative design. Finally, the sub-domain boundary element procedure is applied to interfacial cracks where the crack closure is more pronounced. Specifically, a case of a thermal barrier coating system is investigated. The thermal resistance between the contacting crack faces is incorporated into the procedure and it is assumed to be dependent on the contact pressure. If crack closure due to thermal distortion takes place, then the displacement and traction field may affect the heat flux between the crack faces, and the thermal and mechanical parts of the problem will need to be solved repeatedly until thermo-mechanical convergence is achieved. The results suggest that there are significant effects on the behaviour of stably growing cracks and the evaluation of failure capacity, emanating from crack closure, the amount of thermal resistance and the phase angle between the mechanical and thermal loads.

O σχεδιασμός και η ανάπτυξη μιας σύγχρονης αεροναυπηγικής κατασκευής περιλαμβάνει ως επιμέρους φάσεις (μεταξύ άλλων) τον αρχικό και τον προκαταρκτικό σχεδιασμό. Οι φάσεις αυτές έχουν ιδιαίτερη σημασία διότι εκεί δίνεται η αρχική μορφή και οι διαστάσεις της κατασκευής. Είναι γεγονός ότι η συμβατική σχεδίαση των βασικών δομικών στοιχείων των αεροσκαφών έχει φτάσει σε πολύ υψηλό επίπεδο βελτιστοποίησης που επιδέχεται πλέον μόνο μικρά περιθώρια περαιτέρω βελτίωσης. Οι σύγχρονες όμως απαιτήσεις των ελαφρών κατασκευών, όπως δραστική μείωση του βάρους, αύξηση του ωφέλιμου φορτίου κτλ. ωθεί τις αεροναυπηγικές βιομηχανίες στη δημιουργία δομών που ξεφεύγουν από τις παραδοσιακές (μη-συμβατικές δομές). Παράλληλα με τα παραπάνω γίνεται προσπάθεια για μερική αντικατάσταση μεταλλικών υλικών από σύνθετα υλικά στις πρωτεύουσες δομές αεροναυπηγικών κατασκευών. Για να σχεδιαστούν και να εξελιχθούν μη-συμβατικές αεροναυπηγικές δομές χωρίς να καταφύγει κάποιος σε εκτενείς πειραματικές δοκιμές, η σύγχρονη τάση είναι η ανάπτυξη και ο συνδυασμός προτύπων συμπεριφοράς στη λογική της εξομοίωσης των πειραματικών δοκιμών. Η εξομοίωση αυτή επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών και κατάλληλων μεθόδων βασισμένων στη θεωρία των πινάκων (Πεπερασμένα Στοιχεία, Συνοριακά Στοιχεία κλπ.). Στη φάση του αρχικού και προκαταρκτικού σχεδιασμού η εφαρμογή των μεθοδολογιών προσομοίωσης δεν είναι πάντοτε εύκολη και απλή, λόγω των πολλαπλών αλλαγών στη γεωμετρία, το υλικό και τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες που πραγματοποιούνται στη δομή κατά την επαναληπτική διαδικασία του σχεδιασμού. Επομένως, η αποκλειστική χρήση αριθμητικών μεθόδων ανάλυσης καθίσταται αναποτελεσματική από άποψη χρονικών απαιτήσεων, αν δεν συνοδεύεται από αναλυτικές ή ημιαναλυτικές προσεγγίσεις επιμέρους προβλημάτων του σχεδιασμού. Βασικό μέρος του προκαταρκτικού σχεδιασμού μιας πτέρυγας μη συμβατικής δομής αποτελεί η αποφυγή της αστοχίας του άνω τμήματός της, διότι οι λεπτότοιχες ενισχυμένες με δοκούς πλάκες που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή υφίστανται λυγισμό λόγω των θλιπτικών φορτίσεων που κυρίως παραλαμβάνουν. Η διαστασιολόγηση των σύνθετων πλακών που φέρουν δοκούς ενίσχυσης στις κατασκευές αυτές απαιτούν συνήθως πλήθος επαναληπτικών υπολογισμών για διαφορετικές γεωμετρίες, φορτίσεις, οριακές συνθήκες κλπ. Η εξέταση της κάθε περίπτωσης μεμονωμένα με τη χρήση αριθμητικών μεθόδων καθιστά την επίλυση ολόκληρης της κατασκευής εξαιρετικά χρονοβόρα. Για το λόγο αυτό, στη φάση της αρχικής θεωρητικής μελέτης και της αρχικής διαστασιολόγησης η χρησιμοποίηση αναλυτικών μεθόδων για την εύρεση του κρίσιμου φορτίου λυγισμού πλακών με δοκούς ενίσχυσης οδηγεί στην εξοικονόμηση υπολογιστικού κόστους. Επομένως, η ανάπτυξη αναλυτικών ή ημιαναλυτικών μεθόδων προσδιορισμού των φορτίων λυγισμού ενισχυμένων με δοκούς συνθέτων πλακών και κελυφών θεωρείται πολύ σημαντική. Για τον σκοπό αυτό, στο πλαίσιο αυτής της διατριβής, αναπτύσσονται αναλυτικές και ημιαναλυτικές λύσεις για το λυγισμό πολύστρωτων πλακών ενισχυμένων με ενισχυτικές διαμήκεις δοκούς, οι οποίες ενσωματώνονται σαν κριτήρια στη μέθοδο διαστασιολόγησης της δομής. Η μεθοδολογία συμπληρώνεται με πλήθος άλλων κατάλληλων κριτηρίων για τον έλεγχο της αντοχής των δομικών στοιχείων της πτέρυγας καθώς και με κριτήρια για την επαναδιαστασιολόγηση των στοιχείων κατά την επαναληπτική διαδικασία της βελτιστοποίησης. Με τη μεθοδολογία που αναπτύσσεται διερευνούνται διατάξεις δομής πτερύγων από σύνθετα υλικά με πολυάριθμες κύριες δοκούς. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύσσονται αναλυτικές/ημιαναλυτικές λύσεις ολικού και τοπικού λυγισμού πλακών που φέρουν δοκούς ενίσχυσης. Όσον αφορά τον ολικό λυγισμό αναπτύσσεται μια μεθοδολογία που βασίζεται στη μαθηματική μετατροπή μιας πλάκας που φέρει δοκούς ενίσχυσης σε μια ισοδύναμη ομογενή πλάκα. Η αναπτυχθείσα μεθοδολογία ομογενοποίησης των ενισχυμένων πλακών εμφανίζει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τις αντίστοιχες ήδη υπάρχουσες. Παράλληλα, η ενεργειακή μέθοδος Rayleigh-Ritz εφαρμόζεται για τη λύση προβλημάτων λυγισμού μερικώς ανισότροπων πλακών με ενισχυτικές δοκούς από σύνθετα υλικά, λαμβάνοντας διακριτά υπόψη τις ενισχυτικές δοκούς. Όσον αφορά το πρόβλημα του τοπικού λυγισμού, αναπτύσσεται μια νέα μεθοδολογία για την εύρεση των κρίσιμων φορτίων τοπικού λυγισμού λεπτότοιχης πλάκας με χρήση ενεργειακών μεθόδων. Το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για την περίπτωση του τοπικού λυγισμού της επικάλυψης είναι η απομόνωση του τμήματος της επικάλυψης μεταξύ δυο ενισχυτικών δοκών και η αντικατάσταση της δυσκαμψίας της υπόλοιπης πλάκας με ελατήρια μεταβλητής δυσκαμψίας. Η μεθοδολογία αυτή επεκτείνεται και στον προσδιορισμό της μεταλυγισμικής συμπεριφοράς μιας πλάκας ενισχυμένης με διαμήκεις δοκούς. Οι παραπάνω μεθοδολογίες υπολογισμού του κρίσιμου φορτίου λυγισμού που αναπτύσσονται, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, εφαρμόζονται στη διαστασιολόγηση πτέρυγας μη συμβατικής δομής από σύνθετα υλικά με πολυάριθμες κύριες δοκούς, σε αντίθεση με τις συμβατικές πτέρυγες (με δύο κύριες δοκούς). Η ανάλυση τάσεων της πτέρυγας πραγματοποιείται με τη βοήθεια της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Η τελική διαστασιολόγηση επιτυγχάνεται με επαναληπτική διαδικασία βελτιστοποίησης βασισμένη σε αναλυτικές και ημιαναλυτικές σχέσεις. Με τον τρόπο αυτό, συγκρίνεται λεπτομερώς η συμβατική δομή πτέρυγας με 2 κύριες δοκούς και οι αντίστοιχες πτέρυγες με 4, 5 και 6 κύριες δοκούς. Για την περαιτέρω βελτιστοποίηση της συμπεριφοράς της πτέρυγας, διερευνάται η επίδραση που έχει η αλλαγή των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού και των επιτρεπόμενων ορίων παραμόρφωσης στη δυνατότητα ελαχιστοποίησης της μάζας της πτέρυγας. Υπολογίστηκε ότι κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες η χρήση της μη συμβατικής πτέρυγας μπορεί να οδηγήσει σε μείωση μάζας μέχρι και 12%. / The design and development of a modern aerospace structure consists of many design stages. The most important stages are the conceptual and the preliminary where the initial sizing of the structure is obtained. It is known that the conventional design of the aircraft’s main structural members has reached a high optimization level, where margins for further improvement are small. The current demands of the lightweight structures such as weight reduction, payload increase etc. have led the aerospace industries develop unconventional structures and partially substitute the metallic materials of the primary structures with composites. The current trend of designing and evolving unconventional aerospace structures, without performing extended experimental tests, leads to the development of behavior models. The simulation of the experimental tests (through the behavior models) is achieved using high performance computers and numerical methods (Finite Element Method, Boundary Element Method etc). To apply simulation methods during the conceptual and preliminary stage is not an easy task. Most of the difficulties are the numerous geometrical, material parameters and the structural details that alter during the iterative process of the design. So, the exclusive usage of numerical analysis methods becomes very time consuming, if it is not accompanied by analytical or semi analytical methods of the sub-problems of the design. Part of the preliminary design of an unconventional wing structure is to prevent upper skin from failure. The stiffened panels that comprise the upper skin of the wing suffer from buckling due to the applied compressive loads. The sizing of the composite stiffened panels usually requires numerous of iterative calculations for various geometries, loading and boundary conditions etc. The examination of each case separately, with the use of numerical methods, results to time consuming analyses of the entire structure. Therefore, the development of appropriate analytical or semi analytical methods for estimating stiffened panels’ critical buckling load is of great importance. For this purpose, in the present thesis, analytical and semi analytical methodologies are developed for estimating the critical buckling load of stiffened panels. The developed methodologies are incorporated as design criteria in the sizing routine of the entire structure. The sizing routine comprises additional sizing criteria for checking the strength of wing’s structural members at each phase of the iterative process. Applying the developed sizing routine in various wing configurations made of composite materials, multispar wing designs are studied. Specifically, analytical and semi analytical methods for global and local buckling problems of stiffened panels are developed. The methodology of global buckling problems is based on the mathematical conversion of a stiffened panel to an equivalent homogeneous panel. The developed method of homogenization of stiffened panels appears to have significant advantages over the already existed homogenization methods. Additionally, the energy method Rayleigh-Ritz is applied for solving global buckling problems of stiffened panels with partial anisotropy considering discrete stiffeners. Regarding local buckling problems of stiffened panels, a new methodology is developed for estimating the critical local buckling load with the use of energy methods. The approach considers the stiffened panel segment located between two stiffeners, while the remaining panel is replaced by equivalent transverse and rotational springs of varying stiffness, which act as elastic edge supports. The buckling analysis of the segment provides an accurate and conservative prediction of the panel local buckling behavior. Consequently, the developed methodology is extended in the prediction of post-buckling response of stiffened panels where skin has undergone local buckling. The developed methodologies for calculating the critical buckling load are applied for sizing the wing members of an unconventional wing (multispar configuration) from composite materials. An efficient methodology based on fast Finite Element (FE) stress analysis combined to analytically formulated design criteria is presented for the initial sizing of a large scale composite component. A detailed comparison between optimized designs of conventional (2-spar) and three alternative wing configurations which comprise 4-, 5-, and 6-spars for the wing construction is performed. In order to understand the effect of different material properties, as well as the variation of maximum strain level allowed in the total wing mass, parametric analyses are performed for all wing configurations considered. It arises that under certain conditions the multispar configuration demonstrates significant advantages over the conventional design. This would lead to a mass reduction of 12%.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη λειτουργική συμπεριφορά μιας σύγχρονης μηχανής με έκτυπους πόλους κατά τη διάρκεια δύο ειδών σφαλμάτων, τα οποία παρουσιάζονται παρακάτω, για τις δύο συνθήκες σύνδεσης μίας σύγχρονης γεννήτριας με το δίκτυο. Ειδικότερα, μελετήθηκε η περίπτωση βραχυκυκλώματος στην τροφοδοσία του τυλίγματος διέγερσης της σύγχρονης μηχανής όταν είναι συνδεδεμένη σε ισχυρό δίκτυο και είτε ο αριθμός στροφών αυτής διατηρείται απόλυτα σταθερός, είτε ένας ελεγκτής τη συγκρατεί στο σύγχρονο αριθμό στροφών. Ακόμη διερευνήθηκε η περίπτωση εσωτερικού σφάλματος στο τύλιγμα του στάτη για τις δύο προαναφερθείσες περιπτώσεις. Υπολογίστηκαν και μελετήθηκαν η ηλεκτρομαγνητική ροπή και η μαγνητική επαγωγή κατά τη διάρκεια κάθε φαινομένου, καθώς επίσης τα ρεύματα σε δρομέα και στάτη συμπεριλαμβανομένων των ρευμάτων στον κλωβό απόσβεσης και του ρεύματος βραχυκύκλωσης σε τμήματα του τυλίγματος του στάτη. Αρχικά, περιγράφεται αναλυτικά ο τρόπος με τον οποίο μοντελοποιήθηκε η σύγχρονη γεννήτρια με έκτυπους πόλους, ενώ παράλληλα αναλύεται η μέθοδος με την οποία μοντελοποιήθηκαν τα σφάλματα σε στάτη και δρομέα και ο τρόπος με τον οποίο προσομοιώθηκε στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ο παραλληλισμός της μηχανής στο δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στον τρόπο με τον οποίο ορίζονται οι περιοχές του μοντέλου, οι εξισώσεις που επιλύει το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων, ο ορισμός των οριακών συνθηκών και τέλος περιγράφεται η εφαρμογή της μεθόδου πεπερασμένου στοιχείων που εφαρμόσθηκε στο συγκεκριμένο μοντέλο. Έπειτα προσομοιώθηκε η περίπτωση βραχυκυκλώματος στην τροφοδοσία του τυλίγματος διέγερσης, καθώς ο στάτης της σύγχρονης μηχανής είναι συνδεδεμένος σε ισχυρό δίκτυο με το δρομέα να στρέφεται με σταθερό αριθμό στροφών. Κατά τη διάρκεια του σφάλματος πραγματοποιείται λεπτομερής καταγραφή της μαγνητικής επαγωγής και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής, καθώς και όλων των ρευμάτων στο τύλιγμα στάτη και δρομέα. Προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα για τη συμπεριφορά της μηχανής σε όλη τη διάρκεια του σφάλματος και καταγράφονται τα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη και γίνεται αξιολόγηση της συμπεριφοράς της κατά τη διάρκεια αυτού του μεταβατικού φαινομένου. Ακόμη, εξετάζεται η ίδια περίπτωση σφάλματος στο τύλιγμα διέγερσης, αλλά ο αριθμός στροφών του δρομέα διατηρείται σταθερός μέσω ενός ελεγκτή στροφών. Παρατηρείται ότι η συμπεριφορά της μηχανής αλλά και όλα τα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη αυτής είναι τελείως διαφορετικά συγκρινόμενα με την προηγούμενη περίπτωση. Στη συνέχεια αυτής της διδακτορικής διατριβής εξετάζεται η συμπεριφορά της σύγχρονης μηχανής στην περίπτωση εσωτερικού βραχυκυκλώματος στο τύλιγμα του στάτη, καθώς είναι συνδεδεμένη σε ισχυρό δίκτυο με το δρομέα να στρέφεται με σταθερό αριθμό στροφών. Αναλυτικότερα, μελετώνται τα ρεύματα στο τύλιγμα του δρομέα καθώς και στο τύλιγμα του στάτη για βραχυκύκλωμα μεταξύ σπειρών που ανήκουν σε ίδια ή διαφορετική φάση. Υπολογίζεται το ρεύμα βραχυκύκλωσης και μελετάται ο τρόπος που επηρεάζει τα φασικά ρεύματα του στάτη τόσο ποσοτικά όσο και ποιοτικά. Επίσης, αναλύονται τα ρεύματα στον κλωβό απόσβεσης και μελετάται η συμπεριφορά τους κατά τη διάρκεια του βραχυκυκλώματος. Η εισαγωγή ελέγχου στροφών μεταβάλει τη συμπεριφορά της σύγχρονης γεννήτριας και υπολογίζονται αναλυτικά τα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη της σύγχρονης μηχανής προκύπτοντας συμπεράσματα για τον τρόπο με τον οποίο το βραχυκυκλωμένο τύλιγμα επηρεάζει τα μεγέθη αυτά, ενώ παράλληλα καθορίζεται ο ρόλος που έχουν οι φάσεις που συμμετέχουν στο βραχυκύκλωμα. Τέλος, γίνεται μια σύντομη σύγκριση για το πόσο επηρεάζει ο αριθμός σπειρών τη συμπεριφορά της σύγχρονης μηχανής στην περίπτωση σφάλματος στο στάτη κατά την περίπτωση κατά την οποία η μηχανή είναι συνδεδεμένη σε ισχυρό δίκτυο με σταθερό τον αριθμό στροφών του δρομέα. Πιο συγκεκριμένα, αναλύονται τα ρεύματα σε στάτη και δρομέα καθώς και η ηλεκτρομαγνητική ροπή, για τις περιπτώσεις που οι βραχυκυκλωμένες σπείρες ανήκουν στην ίδια και διαφορετική φάση αλλά με διαφορετικό αριθμό βραχυκυκλωμένων σπειρών για κάθε περίπτωση. Προκύπτει το συμπέρασμα ότι καθοριστικό ρόλο στη διαμόρφωση των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών κατά τη διάρκεια του σφάλματος έχει ο αριθμός των βραχυκυκλωμένων σπειρών, ανεξάρτητα από τον αριθμό των φάσεων που συμμετέχουν στο βραχυκύκλωμα. / This thesis deals with the functional behavior of a salient pole synchronous generator during two kinds of short-circuits. In particular, we studied the case of short circuit in the supply of the excitation winding of the synchronous machine when it is connected to an infinite bus and either the rotor speed was absolutely constant, or a simple PI- Controller maintained the synchronous speed equal to the synchronous. Additionally, the case of an internal fault in the stator winding for the two cases mentioned above was investigated. The electromagnetic torque and the magnetic flux density in each case were calculated and studied, as well as the stator and rotor currents, including the damper cage, and the short-circuit current in the faulty loop of the stator winding. Firstly, it is described in detail the way in which the salient pole synchronous generator was modeled and it is analyzed the method by which the faults are modeled in both stator and rotor and the way these faults were simulated, in the finite element program. Additionally, it is presented the way in how the areas of the model are defined, the equations that were solved through finite element software, in order to extract the results, the definition of the boundary conditions and finally it is described the finite element method, which was applied to this specific model. The case of a short circuit in the supply of the field winding while the stator of the synchronous machine is connected to the grid and the rotor speed is held constant and equal to the synchronous one, is examined. During this fault the magnetic flux, the electromagnetic torque and all the stator and rotor currents are measured in detail. Useful conclusions about the behavior of the machine throughout this kind of short-circuit were derived, all the electromagnetic magnitudes were recorded and an assessment of the generator behavior during this transient phenomenon is made. Similarly, the same type of fault is analyzed, but the speed of the rotor is maintained constant through a speed controller. It is observed that the behavior of the machine and all the electromagnetic magnitudes are quite different compared to the previous case. In this dissertation is examined the behavior of the hydrogenerator in the case of an inter-turn short circuit in the stator winding, while it is connected to the grid with a constant rotor speed. Specifically, it is examined the currents in the rotor and the stator winding for a short circuit between turns that belong to the same or to different phases. The short circuit current is calculated and it is presented the way that it affects quantitative and qualitative the stator phase currents. It is also analyzed the damper currents and it is studied their behavior during the short circuit. The speed controller alters the behavior of the synchronous generator and all the electromagnetic magnitudes of this machine are analytically calculated, resulting significant conclusions on how the faulty loop affects these quantities, while it is set out the role of the participating phases in this short-circuit. Finally, a brief comparison of the way that the number of the shorted turns affects the behavior of the simulated machine in the case of an inter-turn stator fault, while it is connected to the grid with a fixed number of the rotor revolutions. Specifically, it is analyzed the stator and rotor currents and the electromagnetic torque, for the cases that the short-circuited turns belong either to the same or to different phases, but with different number of shorted turns. It is concluded that a key role in determining the electromagnetic magnitudes during this fault has the number of the short-circuited turns and not the number of the phases that are involved in the short circuit.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύσσεται ο υδροδυναμικός και δομικός (μηχανολογικός) σχεδιασμός μιας υποθαλάσσιας κατασκευής για την απάντληση πετρελαίου σε μεγάλα βάθη. Η κατασκευή αποτελείταια από 6 διαφορετικά τμήματα. Ο μηχανολογικός σχεδιασμός ξεκίνησε με την προσαρμογή κατάλληλων προδιαγραφών για το κάθε εξάρτημα. Το πρώτο εξάρτημα από το οποίο ξεκίνησε η ανάλυση είναι τα καλώδια ενίσχυσης των οποίων το φορτίο προέντασης είναι ήδη γνωστό από τα κριτήρια σχεδιασμού και τον αρχικό σχεδιασμό και περιορίζεται στους 1000 τόνους (10000 kN). Πραγματοποιήθηκε η τελική επιλογή του υλικού και των χαρακτηριστικών που έπρεπε να έχει ώστε να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις του θαλάσσιου περιβάλλοντος. Ο κατακόρυφος αγωγός με βάση την φιλοσοφία ανάπτυξης του συστήματος θα έπρεπε να αποτελείται από επιμέρους τμήματα αγωγών πεπερασμένου μήκους, κατασκευασμένους από πολυαιθυλένιο οι οποίοι καλύπτουν το συνολικό επιχειρησιακό βάθος. Η αλληλεπίδραση του θαλασσίου ρεύματος με τον αγωγό (Fluid Structure Interaction) για την κάθε διαφορετική ταχύτητα του θαλασσίου προφίλ ώστε να αποφευχθεί η πιθανότητα εμφάνισης επαγώμενων στροβίλων που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ανεπιθύμητες ταλαντώσεις και σε κόπωση (Vortex Induced Vibration, VIV) τέθηκε σε πρώτη πρωτεραιότητα. Ο συνδυασμός αναλυτικών σχέσεων και πειραματικών δεδομένων από την βιβλιογραφία χρησιμοποιήθηκαν για να υπολογιστεί το μήκος των επιμέρους τμημάτων των αγωγών ώστε να περιοριστούν οι υψηλές εγκάρσιες μετατοπίσεις λόγω των ταλαντώσεων. Η μελέτη της διφασικής ροής πετρελαίου/ νερού σε κώδικα πεπερασμένων όγκων (FLUENT) πραγματοποιήθηκε τόσο για κατακόρυφη όσο και για κεκλιμένη θέση του αγωγού για να επιβεβαιωθεί ότι το αργό πετρέλαιο διατηρεί ανωστική πορεία προς την επιφάνεια ξεπερνώντας τις δυνάμεις τριβής που αναπτύσσονται λόγω της επαφής με τα τοιχώματα των αγωγών. Η ταχύτητα του μίγματος της εσωτερικής ροής καταγράφεται ώστε να ελεγχθεί η εσωτερική μεταβολή της πίεσης του αγωγού. Πιθανή υψηλή διαφοροποίηση της υδροστατικής πίεσης στο εσωτερικό του αγωγού σε σχέση με το εξωτερικό θα οδηγούσε σε επιπλέον φορτία στην δομή του αγωγού (ο αγωγός θα λειτουργούσε τοπικά ως πιεστικό δοχείο). Η προσομοίωση της εξωτερικής ροής γύρω από τμήμα του αγωγού με τα καλώδια ενίσχυσης τοποθετημένα στην περιφερειά του σε κώδικα πεπερασμένων όγκων FLUENT πραγματοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των υδροδυναμικών συντελεστών στο εύρος ταχυτήτων 0.1-0.7 m/sec. Επίσης η μοντέλοποίηση αυτή έδειξε κατά πόσο η θέση των νημάτων επιρεάζει ή όχι την δημιουργία επαγώμενων στροβίλων γύρω από τον αγωγό. Η δομική ανάλυση με χρήση πακέτου πακέτου πεπερασμένων στοιχείων (NASTRAN/ PATRAN) έδειξε τα επίπεδα των μέγιστων τάσεων και μετατοπίσεων που αναπτύσσονται λόγω της ύπαρξης της δυναμικής πίεσης η οποία και καταπονεί τοπικά τους αγωγούς. Η αποθηκευτική δεξαμενή (πλωτήρας και συλλέκτης) σχεδιάστηκε με χρήση βασικών υπολογισμών ώστε να επιτευχθεί η κατάλληλη χωρητικότητα αλλά και η προδεγεγραμμένη άνωση. Ο προσδιορισμός των υδροδυναμικών συντελεστών πραγματοποιήθηκε σε FLUENT έτσι ώστε να διερευνηθεί το ροικό πεδίο γύρω από την δεξαμενή καθώς και το μέγεθος των δυνάμεων που μεταφέρονται στο σύστημα από την αλληλεπιδρασή της με το θαλάσσιο ρεύμα. Η δομή του πλωτήρα σχεδιάστηκε με χρήση βασικών δομικών υπολογισμών και η συνολική του συμπεριφορά κάτω από τα φορτία υδροστατικής πίεσης ελέγχθηκε με πεπερασμένα στοιχεία (NASTRAN/ PATRAN). Η δομή του συλλέκτη διαστασιολογήθηκε με βάση την επίδραση της δυναμικής πίεσης ένεκα της ροής γύρω του. Επίσης παρατίθονται οι βασικές δομικές αναλύσεις των συνδέσμων που χρησιμοποιήθηκαν για την ένωση των διαφόρων τμημάτων πλωτήρα και συλλέκτη. Το μοντέλο πλήρους κλίμακας αναπτύχθηκε με βάση τα πειράματα της υδροσήραγγας που πραγματοποιήθηκαν στην MARIN και με βάση του μοντέλου δυναμικής απόκρισης που δημιουργήθηκε στο ORCAFLEX από την SIREHNA. Σκοπός του μοντέλου πλήρους κλίμακας (με την χρήση NASTRAN/PATRAN) ήταν να εξομοιώσει την απόκριση του μοντέλου του ORCAFLEX το οποίο είχε ρυθμιστεί με βάση την υδροσήραγγα ώστε να υπολογιστούν οι δυνάμεις που μεταφέρονται στους δακτυλίους ενίσχυσης και τα φορτία (δυνάμεις και ροπές) που μεταφέρονται στο ενδιάμεσο στοιχείο. Τα δύο μοντέλα θα έπρεπε να εμφανίζουν την ίδια μέγιστη μετατόπιση ώστε να θεωρηθούν όμοια. Στην φάση αυτή τα καλώδια ενίσχυσης που μοντελοποιούνται με μονοδιάστατα στοιχεία στο NASTRAN/PATRAN . Το ενδιάμεσο στοιχείο αποτέλεσε το εξάρτημα στο οποίο μεταφέρονται τα φορτία του αγωγού στο σημείο σύνδεσης (δυνάμεις και οι ροπές) καθώς και οι δυνάμεις από τα καλώδια ενίσχυσης. Η δομική του ανάλυση περιλαμβάνει την διαστασιολόγηση του με βασικούς υπολογισμούς και την χρήση πεπερασμένων στοιχείων για τον έλεγχο τοπικών υπεφορτίσεων που δεν ήταν εφικτό να προσδιοριστούν με αναλυτικές σχέσεις. Ο θόλος επιρεάζεται από την ταχύτητα των θαλασσίων ρευμάτων που κινούνται γύρω του και αποτελούν τις κύριες δυνάμεις που τον επιρεάζουν. Η μοντελοποίηση της δυναμικής πίεσης πάνω στον αγωγό γίνεται με την χρήση υδροδυναμικού μοντέλου σε FLUENT ενώ η δομική του αντοχή προσδιορίστηκε με χρήση μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων σε NASTRAN/ PATRAN. Οι δυνάμεις μεταφέρονταν στα καλώδια ενίσχυσης του θόλου που με την σειρά τους τις μμετέφεραν στο σύστημα αγκύρωσης στον βυθό. Το σύστημα αγκύρωσης διαστασιολογείται με αναλυτικούς υπολογισμούς από την βιβλιογραφία με βάση την μέγιστη δύναμη που μεταφέρεται από τα καλώδια αγκύρωσης του θόλου. Οι διαστάσεις του είναι συνάρτηση τόσο της σύστασης του βυθού όσο και της μέγιστης επιτρεπόμενης διάστασης που επιλέγεται από τα πλοία που συμμετέχουν στην ανάπτυξη του συστήματος. Τα βασικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την ανάλυση ήταν η δυνατότητα της περαιτέρω ανάπτυξης του συστήματος σε ρηχά και πολύ βαθιά ύδατα καθώς και η ανάγκη για την μείωση του χρόνου κατασκευής ώστε να αυξηθεί η αποδοτικότητα του συστήματος. / In this PhD work, the mechanical design of a Sub sea Oil Recovery Structure is carried out. The structure is consisted of 6 different parts. The mechanical design methodology starts with the calculation of the diameter of the mooring lines for a tension force of 10000 kN. The fluid/ structure interaction is a design aspect for the Riser tube. Analytical equations were used to identify the dimensions of each riser tube’s part in order to avoid Vortex Induced Vibrations (VIV). As a second step, the oil upward movement into the riser tube was investigated. The buoyancy flow was examined using CFD analysis for both, vertical and inclined tube position to confirm that the crude oil could overcome the frictional forces due to contact with the internal tube’s wall. The external flow field around the riser tube, with the mooring lines along its periphery, was investigated in order to calculate the hydrodynamic coefficients for a range from 0.1 to 0.7 m/sec. This analysis was necessary since it helps to quantify the hydrodynamic load for the structural analysis. The structural analysis for the riser tube parts was performed using FEM and it was used for the study of the behavior under “local” loads such as the sea current’s dynamic pressure. The Buffer Bell’s analysis is based on the prediction of hydrodynamic coefficients (obtained from CFD analysis) and the use of a FE model for the structural analysis of the Buffer Bell hull subject to the hydrostatic pressure. The maximum displacement of the system due to the sea currents was also examined. A scale model test was performed in a water tunnel and a dynamic response model was created in order to predict the system’s behavior under operational loads and during the deployment phase. Additional, a FE model was developed to predict the loads (forces and moments) acting on the stiffening rings and the dome interface unit during the operational scenario. This FE model was compared with the Dynamic Response Model for the maximum displacement criterion. The maximum loads (forces and moments) from the Maximum Displacement FE model was used for the calculation of the dimensions of the stiffening ring and the dome interface unit. Finite element models were developed for these two components. A CFD analysis was performed to investigate the pressure distribution over the surface of the Dome. This pressure load and the reaction forces resulted from the analysis of the Dome Interface Unit were used to calculate the stresses faced by the Dome and the total force applied on the mooring system. For the dimensioning of the anchoring system, the highest force calculated for the mooring lines was chosen. The volume of cement for the anchoring system was calculated in order to withstand this force. Analytical equations were used to secure the anchor’s stability on different types of seabed (cohesion or cohesion less). At the end, the maximum calculated force on the mooring line was compared against the force resulted during the first step in order to confirm that fracture does not occur. The conclusions from this analysis is that the system can be applied to all depths (shallow waters, ultra deep waters) but also the final erection time should be minimized in order to increase the system’s efficiency.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύχθηκε τρισδιάστατο αριθμητικό μοντέλο με βάση την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων για την προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς συνδέσεων με κόλλα πολύστρωτων πλακών. Το μοντέλο αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας το εμπορικό πακέτο πεπερασμένων στοιχείων ANSYS. Για την προσομοίωση της συμπεριφοράς της κόλλας χρησιμοποιήθηκαν δύο προσεγγίσεις: η μοντελοποίηση της ζώνης συνοχής και η μοντελοποίηση της βλάβης του συνεχούς μέσου. Οι δύο αυτές προσεγγίσεις συγκρίθηκαν τόσο ως προς την αξιοπιστία τους, η οποία καθορίζεται από την σύγκριση με πειραματικά αποτελέσματα, όσο και ως προς την ευκολία εφαρμογής τους, η οποία καθορίζεται από τα δεδομένα που απαιτούνται και τον υπολογιστικό χρόνο. Η σύγκριση των δύο μεθοδολογιών έγινε στην βάση της εφαρμογής τους για την προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς σε φόρτιση τύπου Ι σύνδεσης με κόλλα μεταξύ δύο ψευδοισότροπων CFRP πολύστρωτων πλακών. Το συγκεκριμένο πρόβλημα επελέγη διότι υπήρχαν διαθέσιμα πειραματικά αποτελέσματα προς σύγκριση στο Εργαστήριο. Οι πολύστρωτες πλάκες μοντελοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας το στρωματικό στοιχείο του ANSYS SOLID185. Στο στοιχείο αυτό κάθε στρώση μοντελοποιείται ξεχωριστά ως ορθότροπο υλικό. Η εφαρμογή της μοντελοποίησης της ζώνης συνοχής έγινε μέσω της χρήσης του στοιχείου του ANSYS INTER205. Για την εφαρμογή της μοντελοποίησης της βλάβης του συνεχούς μέσου αναπτύχθηκε μακρο-ρουτίνα χρησιμοποιώντας την γλώσσα προγραμματισμού του κώδικα ANSYS. Τα αριθμητικά αποτελέσματα έδειξαν ότι και οι δύο μεθοδολογίες προσομοιώνουν με ικανοποιητική ακρίβεια την καμπύλη δύναμης-μετατόπισης της σύνδεσης. Σχετικά με την ευκολία εφαρμογής των δύο μεθόδων, η σύγκριση έδειξε ότι η μέθοδος της μοντελοποίησης της ζώνης συνοχής υπερτερεί έναντι της μεθόδου μοντελοποίησης της βλάβης του συνεχούς μέσου διότι απαιτεί μικρότερο αριθμό δεδομένων, μειονεκτεί όμως ως προς τον απαιτούμενο υπολογιστικό χρόνο. Και οι δύο μέθοδοι κρίνονται κατάλληλες για χρήση στην αριθμητική σχεδίαση συνδέσεων με κόλλα. / This work is based on the development of three-dimensional numerical model based on the finite element method to simulate the mechanical behavior of adhesive bonded joints in composite materials. The model was developed in finite element procedures under the framework of the commercial software ANSYS. To simulate the behavior of the adhesive used two approaches: the cohesive zone modeling (CZM) and the continuum damage modeling (CDM). These two approaches are compared both in terms of reliability, which is determined by comparison with experimental results, and applicability, which is determined by the parameters required and the computational time. The comparison between the two methodologies was the basis of their application to simulate the mechanical behavior under mode-I fracture behavior of adhesively bonded joints between two CFRP plates. This problem was chosen because there were experimental results to compare in the laboratory. The sandwich plates are modeled using the stromal element of ANSYS SOLID185. This item each layer separately modeled as orthotropic material. The adhesive is modeled using the interface element of ANSYS INTER205. For the purpose of modeling the failure of continuous medium developed macro routine using the programming language code ANSYS. The numerical results showed that both methodologies simulate sufficient precision the curve force-displacement of the connection. About applicability of the two methods, the comparison showed that the process of cohesive zone modeling outweighs the process of continuum damage modeling because it requires less number of parameters, but falls to the computational time. Both methods are suitable for use in numerical design of adhesively bonded joints.

The scope of this work is the theoretical and computational modeling of the interaction between a Newtonian fluid and a cellular biological medium attached on the surface of a vessel. First and foremost, an extensive and comprehensive review is presented with regard to the available approaches for modeling momentum transfer within cellular biological media, including single-scale-single-phase approaches, Biot's poroelasticity, mixture theory, upscaling methods and multiscale computational equation free methods. Thereafter, at the cellular biological medium level, a theoretical model is developed for the description of momentum transfer within a poroelastic biomaterial, taking into account the interaction between the extracellular fluid and the solid skeleton that consists of cells and extracellular matrix (ECM). A continuum based formulation of momentum transport in a fluid-solid system at the finer spatial scale is used as starting point, and then the method of local spatial averaging with a weight function is implemented in order to establish the partial differential equations that describe the dynamics of fluid flow and matrix deformation at the coarser (macroscopic) spatial scale. In the special case of a homogeneous medium and under certain other conditions, the derived equations become similar to those which are postulated in the theory of interacting continua (mixture theory) and Biot's theory of poroelasticity. At the vessel level, the contribution of this work is twofold. First, a benchmark problem is developed for the validation of numerical methods used to solve problems that involve interactions between a fluid and a poroelastic material. Specifically, an analytical solution is developed for the problem of plane Couette-Poiseuille flow past a poroelastic layer. Second, a computational study is performed for plane Poiseuille flow past and through a semi-elliptical poroelastic biomaterial, which is attached to the surface of a straight vessel. Fluid flow in the clear fluid region is described by the Navier-Stokes equations, and momentum transfer within the biomaterial is described by the upscaled biphasic equations established in this work. The effect of the Reynolds and Darcy number that characterize the flow past and through the biomaterial, respectively, is investigated for obstacles with different configuration with respect to flow (semicircle, oblate semi-ellipse, prolate semi-ellipse). The distribution of the von Mises stress within the biomaterial is determined and, also, the drag and lift forces exerted by the fluid on the biomaterial are calculated. / Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η θεωρητική και υπολογιστική μοντελοποίηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ ενός Νευτώνειου ρευστού και ενός κυτταρικού βιολογικού υλικού το οποίο βρίσκεται προσκολημμένο στην επιφάνεια ενός αγγείου. Αρχικά παρουσιάζεται μια εκτεταμένη και περιεκτική ανασκόπηση των διαθέσιμων προσεγγίσεων για τη μοντελοποίηση της μεταφοράς ορμής σε κυτταρικά βιολογικά υλικά, συμπεριλαμβανομένων των προσεγγίσεων μιας κλίμακας και μιας φάσης, της θεωρίας ποροελαστικότητας του Biot, της θεωρίας αλληλεπιδρώντων συνεχών, των τεχνικών αλλαγής κλίμακας προς τα άνω, και τέλος, των υπολογιστικών τεχνικών πολλαπλών κλιμάκων χωρις τον ορισμό καταστατικών εξισώσεων. Στην συνέχεια, στο επίπεδο του κυτταρικού βιολογικού υλικού, αναπτύσεται ένα θεωρητικό μοντέλο για την περιγραφή της μεταφοράς ορμής εντός ενός ποροελαστικού υλικού, λαμβάνοντας υπόψη την αλληλεπίδραση μεταξύ του εξωκυτταρικού ρευστού και της στερεής μήτρας που αποτελείται από τα κύτταρα και το δίκτυο εξωκυτταρικών πολυμερών. Ως σημείο εκκίνησης στην μικρότερη κλίμακα παρατήρησης, χρησιμοποιείται μια περιγραφή της μεταφοράς ορμής που βασίζεται σε ένα συνεχές μοντέλο και έπειτα εφαρμόζεται η μέθοδος χωρικής στάθμισης μέσω συνάρτησης βάρους προκειμένου να εξαχθούν οι μερικές διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν την δυναμική της ροής του εξωκυτταρικού ρευστού και της παραμόρφωσης της στερεής μήτρας στην μακροσκοπική κλίμακα. Για την ειδική περίπτωση ενός ομογενούς μέσου και υπό την ισχύ ορισμένων πρόσθετων συνθηκών, οι εξαχθείσες εξισώσεις λαμβάνουν μορφή παρόμοια με αυτή των αντίστοιχων εξισώσεων οι οποίες ισχύουν στην θεωρία αλληλεπιδρώντων συνεχών καθώς και στην θεωρία ποροελαστικότητας του Biot. Στο επίπεδο του αγγείου, η συνεισφορά της παρούσας εργασίας λαμβάνει χώρα σε δύο άξονες. Κατά πρώτον, αναπτύσσεται ένα πρότυπο πρόβλημα το οποίο μπορεί να χρησιμεύσει για την επαλήθευση αριθμητικών μεθόδων που χρησιμοποιούνται για την επίλυση προβλημάτων στα οποία ενέχεται η αλληλεπίδραση ενός ρευστού με ένα ποροελαστικό υλικό. Συγκεκριμένα, εξάγεται μια αναλυτική λύση σε κλειστή μορφή για το πρόβλημα της επίπεδης ροής Couette-Poiseuille μέσα και γύρω από ένα ποροελαστικό στρώμα. Κατά δεύτερον, διεξάγεται μια υπολογιστική μελέτη της επίπεδης ροής Poiseuille μέσα και γύρω από ένα ημιελλειπτικό ποροελαστικό βιολογικό υλικό, το οποίο βρίσκεται προσκολημμένο στην επιφάνεια ενός ευθύγραμμου αγγείου. Στην περιοχή καθαρού ρευστού, η ροή περιγράφεται από τις εξισώσεις Navier-Stokes , ενώ η μεταφορά ορμής εντός του βιολογικού υλικού περιγράφεται με τις εξισώσεις που εξήχθησαν σε αυτή την εργασία μέσω της μεθόδου χωρικής στάθμισης. Η επίδραση των αριθμών Reynolds και Darcy, οι οποίοι χαρακτηρίζουν τη ροή γύρω και μέσα από το βιολογικό υλικό αντίστοιχα, διερευνάται για εμπόδια με διάφορες γωμετρικές διαμορφώσεις (ημικύκλιο, και ημιέλλειψη). Προσδιορίζεται η χωρική κατανομή της τάσης von Mises εντός του βιολογικού υλικού και, επιπρόσθετα, υπολογίζονται η οπισθέλκουσα και η ανυψωτική δύναμη που ασκούνται από το ρευστό στο υλικό.

H παρούσα διατριβή ανήκει στο πεδίο της συγκριτικής μορφολογίας. Μελετάται η μορφολογική διαδικασία της σύνθεσης στη Νέα Ελληνική και τη Γερμανική, σε δύο γλώσσες που μοιράζονται πολλά κοινά μορφολογικά χαρακτηριστικά και στις οποίες το συγκεκριμένο φαινόμενο είναι ιδιαίτερα παραγωγικό. Συγκεκριμένα, τα θέματα που εξετάζονται είναι τα ακόλουθα: α) τα δομικά χαρακτηριστικά των λεγόμενων «πρωτοτυπικών συνθέτων» σε σύγκριση με τις «οριακές περιπτώσεις», όπου και η διαδικασία της παραγωγής εμπλέκεται στο σχηματισμό τους, β) η εμφάνιση συνδετικού στοιχείου και γ) ο σχηματισμός διαφόρων τύπων συνθέτων, όπως για παράδειγμα των εξωκεντρικών και των παρατακτικών συνθέτων. To θεωρητικό πλαίσιο που υιοθετείται είναι αυτό της γενετικής μορφολογίας. Τα κυριότερα συμπεράσματα της διατριβής αφορούν τον καθορισμό των παραμέτρων, βάσει των οποίων μπορούν να ερμηνευθούν οι διαφορές στο σχηματισμό συνθέτων των δύο αυτών γλωσσών. Οι πιο σημαντικοί παράμετροι που εξηγούν τις διαφορές των νεοελληνικών και γερμανικών συνθέτων είναι α) το είδος της μορφολογίας που προτιμά η κάθε γλώσσα, αν δηλαδή βασίζεται στο θέμα ή στη λέξη και β) τα πλούσια ή περιορισμένα ονοματικά κλιτικά παραδείγματα. Μέσω της συγκριτικής ανάλυσης ήρθαν στο φως και νέα συμπεράσματα που αφορούν επιμέρους ζητήματα της διαδικασίας της σύνθεσης των δύο αυτών γλωσσών, όπως για παράδειγμα ο μορφολογικός χαρακτήρας του συνδετικού στοιχείου και το είδος της κεφαλής των εξωκεντρικών συνθέτων της Γερμανικής, καθώς επίσης και τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των ονοματικών παρατακτικών συνθέτων της Νέας Ελληνικής. / This thesis belongs to the field of contrastive morphology: it examines the morphological process of compounding in Modern Greek and German, two languages which share many common morphological features and in which the specific phenomenon is especially productive. In more detail, the topics examined are the following: a) the structural features of the so called “prototypical compounds” in contrast to the “borderline cases”, where the process of derivation is also involved in their formation, b) the appearance of the linking element and c) the formation of different types of compounds as for example the exocentric and the copulative ones. The theoretical framework adopted is that of generative morphology. The main conclusions of the thesis concern the definition of parameters that can explain the differences in the formation of compounds in these two languages. The most important parameters that determine the basic differences in the formation of Modern Greek and German compounds are a) the stem vs. word-based morphology and b) the rich vs. limited nominal inflectional paradigms. Through this contrastive analysis various new outcomes came into light concerning special issues in the process of compounding of these two languages, as for instance the morphological status of the linking element in German, the type of head that the German exocentric compounds display and the morphological features of the nominal copulative compounds in Modern Greek.