Computational methods for the prediction of emergence and growth of delaminations in laminated composite components

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation des Delaminationsprozesses in Laminaten aus faserverstärkten Polymeren, d.h.<br />dem Versagen des Interfaces zwischen zwei Schichten. Der Delaminationsvorgang wird dazu als ein Prozess betrachtet, der in zwei Schritten ablauft: 1. Bildung einer Anfangsdelamination im intakten Interface und 2. Wachstum vorhandener Delaminationen. Ziel dieser Arbeit ist es, numerisch effiziente und robuste Methoden für die Vorhersage der Bildung von Anfangsdelaminationen und für die Vorhersage von Delaminationswachstum zu entwickeln und an Beispielen zu testen.<br />Für die Vorhersage der Bildung einer Anfangsdelamination wird eine Methode entwickelt, welche auf der Kombination eines Spannungskriteriums mit Prinzipien der linear elastischen Bruchmechanik beruht.<br />Überbeanspruchte Bereiche im Interface werden mit einem Spannungskriterium vorhergesagt, und es wird angenommen, dass sich in diesen Bereichen Anfangsdelaminationen bilden. Der Beginn des Wachstums dieser Anfangsdelamination wird mit Hilfe linear elastischer Bruchmechanik berechnet. Diese Methode erlaubt es, die kritische Größe und Lage einer Anfangsdelamination vorherzusagen sowie die Traglast der Struktur zu bestimmen. Des weiteren können die Sensitivität der Traglast bezüglich Ungenauigkeiten und Änderungen in den Materialeigenschaften untersucht werden.<br />Für die Vorhersage des Wachstums von Delaminationen mit geraden Fronten wird eine semi-analytische Methode vorgeschlagen. Diese Methode basiert auf der Annahme, dass die bei Delaminationswachstum freigesetzte Energie aus der Änderung der Struktursteifigkeit berechnet werden kann. Zu diesem Zweck wird mit Hilfe der Finiten Elemente Methode die Struktursteifigkeit als Funktion der Delaminationsgröße bestimmt. Mit der semi-analytischen Methode können allgemeine Kombinationen von Verschiebungs- und Kraftrandbedingungen behandelt werden. Des weiteren können Beanspruchungen, welche durch Änderung der Temperatur oder durch Änderung der Feuchtigkeit im Laminat entstehen, berücksichtigt werden.<br />Die vorgeschlagene Methode erlaubt es, sowohl quasi-statische Beanspruchungen als auch zyklische Beanspruchungen zu analysieren.<br />Um das Wachstum von Delaminationen mit gekrümmten Fronten vorherzusagen, wurde ein Kriterium entwickelt, welches die Energiebilanz entlang der gesamten Delaminationsfront beurteilt. Einige vereinfachende Annahmen bezüglich der Form der Delaminationsfront sind hier nötig. Das vorgeschlagene Kriterium beinhaltet allerdings ein Methode zur Abschätzung der Qualität dieser Annahmen und eine Anleitung zur systematischen Verbesserung derselben.<br />Zur Verifikation der Vorhersagen wird die Bildung von Anfangsdelaminationen und Delaminationswachstum in einem gekrümmten Laminat mit den vorgeschlagenen Methoden untersucht. Die Vorhersagen werden mit Ergebnissen von experimentellen Tests, welche am Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Leoben, Österreich) durchgeführt wurden, verglichen. Die Probekörper für die Tests wurden von der FACC AG (Ried i.I., Österreich) hergestellt. Es werden Laminate ohne Anfangsdelamination und Laminate mit einer Anfangsdelamination von definierter Lage und Große numerisch untersucht und mit den Experimenten verglichen. In beiden Fallen wird eine relativ gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Vorhersage erzielt.<br />

The present thesis is concerned with the computational simulation of delamination in fiber reinforced polymer laminates. The delamination process, from the pristine structure to the formation of large delaminated regions, is considered as a two-step process. In the first step an initial delamination emerges in an intact interface and in the second step the delamination grows.<br />The objective of this work is to develop numerically efficient and robust tools for predicting the emergence and growth of delaminations.<br />To demonstrate the application and the capability of the proposed approaches several examples are analyzed. For the prediction of emergence of delaminations a combination of a strength criterion with an energy release rate criterion is developed. A stress based failure criterion is employed to predict overloaded interface regions and initial delaminations are assumed to emerge there.<br />The propagation of delaminations is analyzed using linear elastic fracture mechanics. The strength/energy approach allows to predict the critical size and position of an initial delamination as well as the load carring capacity of the structure.<br />Furthermore, the sensitivity of the predicted load carring capacity with respect to changes and uncertainties in the material properties is determined.<br />For the prediction of consecutive growth of delaminations with straight fronts a computationally efficient semi-analytical approach is implemented. It uses the fact that the energy released at delamination growth is proportional to the increase of the structural compliance caused by an increase of the delaminated area. The structural compliance is determined as a function of the delaminated area by an automated procedure employing the finite element method.<br />The semi-analytical approach can handle arbitrary combinations of mechanical, temperature, and moisture loads. A Griffith type growth criterion is used to predict consecutive growth caused by quasi-static loads. The stability of the growth process as well as the non-linear structural response are predicted. For the analysis of delamination growth caused by cyclic loading a Paris type growth law is employed.<br />For simulation of delaminations with curved fronts a total delamination front criterion is developed. Growth along the entire delamination front is assumed to take place if the growth criterion is satisfied. A set of smooth and continuous delamination fronts is defined and growth is predicted by selecting that shape for which the load required to caused delamination growth is smallest. For computation of the delamination growth load an automated finite element method is employed. A criterion is developed that allows to check whether or not the assumed shape of the delamination front is a good approximation. This criterion can also guide the way towards improvement of the shape.<br />For verification of the developed approaches emergence of delaminations and growth of existing delaminations in an L-shaped laminate is predicted numerically and compared to results from experimental tests.<br />The test are performed at the Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Leoben, Austria).<br />The test specimens are produced by FACC AG (Ried i.I., Austria). Test specimens without initial delaminations and test specimens with defined initial delaminations are studied. For both test series reasonably good agreement between the numerical predictions and the experimental results is obtained.