Anam, K. (2023). Ply-level modeling based on shell elements for predicting static and cyclic delamination [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2023.71709
E317 - Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik
-
Date (published):
2023
-
Number of Pages:
123
-
Keywords:
Laminated Composites; Low Velocity Impact; Compression After Impact; Fatigue After Impact; Finite Element Analysis; Computational Efficiency
en
Abstract:
Leichtbaukonstruktionen wie laminierte Verbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften, wie z. B. hohe Steifigkeit im Verhältnis zum Gewicht und hohe Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht, in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Diese Werkstoffe zeichnen sich auch durch eine gute Umweltverträglichkeit und eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit aus und sind bei der Herstellung leicht zu formen. Allerdings weisen diese Werkstoffe komplexe Schädigungsmechanismen auf, wie z. B. Rissbildung in der Matrix, Faserbruch, plastizitätsähnliche Effekte und Delamination, da sie aufgrund der faserverstärkten Lagen und der Stapelung der Laminate ein anisotropes Verhalten aufweisen. Diese Schäden sind potenziell gefährlich, da sie die Tragfähigkeit erheblich verringern können, was zu einem Versagen führen kann. Delamination ist einer der häufigsten Defekte, die in laminierten Verbundwerkstoffen auftreten. Delaminationen treten in laminierten Verbundwerkstoffen von innen auf, so dass die Schäden mit bloßem Auge auf der Verbundwerkstoffoberfläche kaum sichtbar sind und folglich während des Betriebs nur schwer erkannt werden können. Ziel dieser Dissertation ist es, die Leistungsfähigkeit der auf Lagenebene basierenden Modellierungsstrategien zur Vorhersage des Delaminationsverhaltens in laminierten Verbundwerkstoffen unter verschiedenen Belastungsszenarien und Simulationsschemata mit Hilfe fortschrittlicher Methoden im Rahmen der Finite-Elemente-Methode zu untersuchen. Eine Vielzahl von Belastungsszenarien, die häufig in technischen Anwendungen vorkommen, werden auf laminierte Verbundwerkstoffe angewandt und führen zu Delaminationen. Zu den Belastungsszenarien gehören reine und gemischte Belastungszustände, Stöße mit niedriger Geschwindigkeit, Druck nach dem Stoß und Ermüdung nach dem Stoß.Im Rahmen der Finite-Elemente-Methode wird eine auf Lagenebene basierende Modellierungsstrategie zur Vorhersage des Delaminationsverhaltens von laminierten Verbundwerkstoffen unter reinen und gemischten Belastungsbedingungen vorgeschlagen. Jede Lage und jede Grenzfläche des Laminats wird explizit modelliert, wobei die Lagen durch verschiedene Elementtypen wie konventionelle Schalen-, Kontinuumsschalen- und Kontinuumselemente dargestellt werden und die Grenzflächen durch Kohäsionszonenelemente diskretisiert werden. Der Vergleich zwischen allen vorgeschlagenen Modellen wird hinsichtlich des Auftretens und des Wachstums von Delaminationen einschließlich der Last-Verschiebungskurven, der Delaminationsfläche, der Berechnungszeit und der Modenmischung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass alle auf Lagenebene basierenden Modellierungsstrategien eine sehr gute Übereinstimmung mit den analytischen Ergebnissen aufweisen. Darüber hinaus bietet der auf Schalenelementen basierende Ply-Level-Ansatz in Kombination mit einem Kohäsivzonenelement mit endlicher Dicke ein numerisch effizientes Simulationswerkzeug zur Vorhersage von Delaminationen in Laminaten. Darüber hinaus wird eine Studie über das transversale Scherverhalten eines homogenen isotropen Trägers mit ebener Dehnung für verschiedene Modellierungsstrategien auf Lagenebene durchgeführt. Aus den numerischen Vorhersagen lässt sich schließen, dass der auf Schalenelementen basierende Lagenansatz in Kombination mit dem Kohäsivzonen-Elementmodell mit endlicher Dicke eine sehr gute Übereinstimmung mit den analytischen Lösungen und dem zweidimensionalen ebenen Dehnungsmodell in Bezug auf Durchbiegung, Querschubspannung und normale Biegespannung bietet. Die Scherverformung wurde bereits in Kontinuumsmodellen berücksichtigt. Folglich führt die Verringerung der Steifigkeit der Kohäsionszonenelemente außerhalb der Ebene zu einem physikalisch nicht korrekten Modell, da sie nachgiebiger sind als die Referenzergebnisse und eine doppelte Scherverformung zu haben scheinen. Schließlich kann die Modifikation von Gxz = Gyz durch Implementierung der orthotropen Elastizität von Kontinuumsmodellen verwendet werden, um die Referenzlösungen nachzuahmen.Ein Aufprall mit niedriger Geschwindigkeit kann die strukturelle Integrität von Verbundwerkstoffen erheblich beeinträchtigen, was sich bei wiederholtem Auftreten noch verschlimmern kann. In dieser Studie werden doppelte Stöße mit niedriger Geschwindigkeit numerisch auf die Laminate angewendet, indem eine auf Lagenebene basierende Modellierungsstrategie verwendet wird. Die Stoßergebnisse werden dann direkt zur Vorhersage der Restdruckfestigkeit der Laminate verwendet, indem die Kompression nach dem Stoß simuliert wird. Darüber hinaus werden die Aufprallreaktionen und die strukturelle Integrität der laminierten Verbundwerkstoffe für alle Konfigurationen, einschließlich Einzel- und Doppelaufprallereignisse für verschiedene Abstände, verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Abstand zwischen zwei Aufprallpositionen zu unterschiedlichen Delaminationsinterferenzmechanismen führt, was mit den früheren experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Diese Unterschiede führen zu einer unterschiedlichen Energiedissipation und Delaminationsfläche der Laminate. Darüber hinaus verringert sich die Druckfestigkeit der Laminate nach der Schlagbeanspruchung bei der vorliegenden Studienkonfiguration um ca. 50%. Die Implementierung einer auf Lagenebene basierenden Modellierung bietet eine hohe Berechnungseffizienz für die Vorhersage des Aufprallverhaltens und der Druckfestigkeit von laminierten Verbundstrukturen. Schließlich wird eine Analyse der Ermüdung nach dem Aufprall von L-förmigen Verbundwerkstofflaminaten durchgeführt. L-förmige Verbundlaminate gehören zu den geometrisch komplexen Teilen von Flugzeugen. Daher ist es wichtig, das Delaminationsverhalten von L-förmigen Verbundlaminaten zu untersuchen, wenn sie Aufprall- und zyklischen Belastungen ausgesetzt sind, insbesondere bei stark gekrümmten Geometrien. In dieser Studie werden nacheinander drei verschiedene Belastungsbedingungen implementiert, darunter ein Aufprall, eine statische und eine zyklische Belastung mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode. Der Aufprall mit niedriger Geschwindigkeit wird angewendet, um die Delaminationsverteilung mit Hilfe eines expliziten Simulationsschemas zu erhalten. Die Delaminationsverteilung infolge des Aufpralls wird dann als Anfangsbedingung für statische und zyklische Belastungsbedingungen verwendet. Unter Verwendung eines impliziten Simulationsschemas werden vier verschiedene Konfigurationen durch Kombination von Positionen und Richtungen der Verschiebung durchgeführt, um die maximale Tragfähigkeit der Laminate zu untersuchen. Außerdem wird eine zyklische Belastung durchgeführt, um die Ermüdungslebensdauer der L-förmigen Laminate zu untersuchen. Es ist anzumerken, dass für die zyklische Belastung ein Benutzermaterial (UMAT) in das FEM-Paket ABAQUS implementiert wurde, um ein Ermüdungskonstitutivmodell für kohäsive Elemente einzubeziehen. Die Ergebnisse zeigen, dass die mehrschichtige Delamination durch den Aufprall mit niedriger Geschwindigkeit ausgelöst wird. Die maximale Belastung, die Beschleunigung der Delaminationsausbreitung und die Modenmischung werden hauptsächlich von den Delaminationsverteilungen und den Belastungskonfigurationen beeinflusst.
de
Lightweight structures such as laminated composite are widely used for various fields due to their exceptional mechanical characteristics such as high stiffness to weight and strength to weight ratios. These materials also exhibit good environmental sustainability, and excellent fatigue resistance, and are easy to form during manufacturing. However, these materials possess complex damage mechanisms such as matrix cracking, fiber breakage, plasticity-like effects, and delamination because they have an anisotropic behavior due to fiber reinforced plies and the stacking of the laminates. This damage is potentially dangerous because it can significantly reduce the load-carrying capacity, which can lead to failure. Delamination is one of the most dominant defects that arise in laminated composites. Delamination occurs internally in laminated composites so that damage is barely visible to the naked eye on the composite surface and, consequently, is difficult to detect during service. The aim of this dissertation is to investigate the performance of the ply-level based modeling strategies for predicting delamination behavior in laminated composites under various loading scenarios and simulation schemes, by means of advanced methods within the framework of the finite element method. A variety of loading scenarios that frequently occur in engineering applications will be applied to laminated composite, resulting in delamination. The loading scenarios include pure and mixed mode loading conditions, low velocity impact, compression after impact, and fatigue after impact.A ply-level based modeling strategy for predicting the delamination behavior of laminated composites under pure and mixed mode loading conditions is proposed within the framework of the Finite Element Method. Each ply and each interface of the laminate is explicitly modeled, with the plies represented by various element types such as conventional shell, continuum shell, and continuum elements, and the interfaces are discretized using cohesive zone elements. The comparison between all proposed models is examined in terms of delamination onset and growth including load-displacement curves, delamination area, computation time, and mode mixity. The results show that all ply-level based modeling strategies exhibit very good agreement with the analytical results. Moreover, ply-level approach based on shell elements in combination with finite thickness cohesive zone elements offers a numerically efficient simulation tool to predict delamination in laminates. Moreover, a study of transverse shear behavior of homogeneous plane strain isotropic beam is done for different ply-level based modeling strategies. From numerical predictions, it can be concluded that the ply-level approach based on shell elements in combination with a finite thickness cohesive zone element model provides a very good agreement to the analytical solutions and two dimensional plane strain model in terms of deflection, transverse shear stress, and normal bending stress. The shear deformation has already been considered in continuum models. Consequently, the reduction of out-of-plane stiffness of cohesive zone elements will lead to a physically not correct model because they are more compliant than the reference results and seem to have double shear deformation. Finally, the modification of Gxz = Gyz by implementing the orthotropic elasticity of continuum models can be used to mimic the reference solutions.Low velocity impact can significantly reduce the structural integrity of the laminated composites, and it can be considerably worse if it occurs repeatedly. In this study, double low velocity impacts are numerically applied on the laminates by utilizing ply-level based modeling strategy. The impact results are then directly utilized to predict the residual compressive strength of the laminates by performing compression after impact simulation. Furthermore, the impact responses and the structural integrity of the laminated composites are compared for all configurations including single and double impact events for various distances. The results show that the distance between two impact positions provides different delamination interference mechanisms which are consistent with the previous experimental findings. These differences will lead to different energy dissipation and delamination area of the laminates. Moreover, the compressive strength of the laminates after impact loading reduces by approximately 50% for the present study configuration. Meanwhile, the implementation of a ply-level based modeling provides high computational efficiency for predicting the impact response and the compressive strength of laminated composite structures. Finally, fatigue after impact analysis of impacted L-shape composite laminates is performed. L-shape composite laminates are one of the geometrically complex parts of aircraft. Hence, it is essential to conduct a delamination behavior investigation of L-shape composite laminates when subjected to impact and cyclic loads, particularly on the sharply curved geometry. In this study, three different loading conditions are implemented sequentially including impact, static, and cyclic by means of the Finite Element Method. The low velocity impact is applied to obtain the delamination distribution by using an explicit simulation scheme. The delamination distribution due to impact is then utilized as the initial condition for static and cyclic loading conditions. By using an implicit simulation scheme, four different configurations are performed by combining positions and directions of the displacement to examine the maximum load bearing capacity of the laminates. Moreover, cyclic loading condition is performed to investigate the fatigue life of the L-shape laminates. It has to be noted that for cyclic loading, a user material (UMAT) is implemented into the FEM package ABAQUS to include a fatigue constitutive model for cohesive elements. The results showed that multilayered delamination is initiated due to the low velocity impact. The maximum load, the acceleration of the delamination propagation, and the mode mixity are mainly influenced by the delamination distributions as well as the loading configurations.