FEM simulations of the interaction between progressive ply damage and delamination in fiber-reinforced laminates

Abstract

In der Literatur ist ein quasistatischer Dreipunktbiegeversuch an einem kohlefaserverstärkten Laminatbalken durchgeführt worden, der in dieser Arbeit mit der Finite-Elemente-Methode simuliert wird. Zwei verschiedene Laminataufbauten, [0/0/0/0/90/90/90/90/0/0]s und [0/0/90/90/0/0/90/90/0/0]s, werden untersucht. Im Zuge der Modellierung wird der Ansatz gestapelter Schalen verfolgt. Dabei werden Schalenelemente, welche die Schichten darstellen, übereinander gestapelt, und mittels Kohäsivelementen mit endlicher Dicke, welche die Grenzflächen darstellen, verbunden. Für die Schichten wird das Hashin-Schädigungs-Konstitutivgesetz verwendet. Für die Grenzflächen wird ein Schädigungs-Konstitutivgesetz basierend auf einem linearen Spannungs-Separations-Gesetz verwendet. Beide erlauben die Modellierung von Schädigungsinitiierung und fortschreitender Schädigung in verschiedenen Versagensmodi. Zuerst werden Simulationen ohne fortschreitende Schädigung durchgeführt. Der Einfluss eines Eigenspannungszustands, welcher ein Ergebnis des nach dem Aushärten folgenden Abkühlprozesses ist, wird modelliert. Nachfolgende Simulationen zeigen, dass Hashin-Schädigungsbeginn früher auftritt, wenn die Eigenspannungen berücksichtigt werden. Als nächstes werden verschiedene nichtlineare Simulationen mit aktiviertem Schädigungsfortschritt entweder nur in den Schichten, oder nur in den Grenzflächen, durchgeführt. Die Ausbreitung der Schädigung wird diskutiert. Die Frage, ob eine Interaktion der zwei verschiedenen Schädigungsmechanismen vorhanden ist, soll beantwortet werden. Hierzu werden Simulationen mit gleichzeitiger Aktivierung beider Schädigungsmechanismen durchgeführt und mit den Experimenten verglichen. In den Simulationen zeigt sich eine eindeutige Interaktion der Schädigungsmechanismen, die jedoch anders als in den Experimenten ist.

In the literature a quasi-static three point bending type experiment of a carbon fiber reinforced polymer beam has been conducted, which is simulated in this work with the finite element method. Two different laminate layup configurations are investigated, namely [0/0/0/0/90/90/90/90/0/0]s, and [0/0/90/90/0/0/90/90/0/0]s. For the model, the stacked shell approach is used. Shell elements are stacked on one another, modelling the plies, bonded by finite thickness cohesive zone elements (CZEs) in between, modelling the interfaces. The Hashin continuum damage mechanics constitutive law is used for the plies. A constitutive law based on a linear traction-separation response is used for the interfaces. Both allow to model damage initiation followed by progressive damage in various failure-modes. First, simulations without progressive damage are conducted. The influence of a residual stress state, which is a result of the cooling process after curing, is modelled. Subsequent simulations show that Hashin damage initiation occurs earlier when the residual stresses are considered. Next, separate nonlinear simulations with progressive damage only activated in the plies or only activated in the interfaces are run, and the evolution of damage is discussed. Finally, to answer the question if there is an interaction of the two different progressive damage mechanisms, simulations with both mechanisms activated are run and compared to the experiments. Damage mechanism interactions are clearly seen in the simulations, but the behaviour is different to the experiments.