Development of efficient numerical models for the simulation of low velocity impact and compression after impact on composite structures

Abstract

Fiber reinforced composite materials are nowadays used in several industrial applications that pursue structural weight reduction to reduce fuel consumption. The stiffness-to-weight and strength-to-weight ratios of composite materials made them an excellent choice for aerospace applications. However, impact loads is one of the major design concerns of aeronautical structures made by laminate composite materials. It is especially the case of Low Velocity Impact (LVI) events that despite leading to barely visible impact damage can significantly reduce the mechanical performance of composite structures. Reliable numerical models can help in reducing the actual amount of physical tests that are time-consuming and costly. Nevertheless, impact simulations are computationally intensive and their application in large composite structures is limited. Furthermore, the numerical models require many parameters that affect their efficiency, accuracy, objectivity and robustness. The present thesis aims to define a clear and efficient methodology to build reliable numerical models for the LVI and Compression After Impact (CAI) simulation of composite structures that can be applied in challenging applications of scientific and industrial interest. Firstly, the present work describes a methodology to simulate LVI and CAI on composite laminates that is validated experimentally at the coupon level. The key definitions are discussed and especial attention is devoted to the definitions that affect the computational efficiency. Novel formulas, which are useful for optimum mesh discretization, are proposed to predict the cohesive zone length of composites undergoing delamination under pure fracture modes. A numerical benchmark of different finite element types and interaction technologies commonly used in the literature is performed to compare their computational performance and accuracy. Furthermore, criteria to efficiently define cohesive numerical parameters are proposed. Numerical simulations can help in the understanding of the damage sequence of polymer based composite laminates during an impact event, which can be a difficult task to perform experimentally when dealing with a large number of plies. The proposed methodology is applied to predict the LVI and CAI of thin ply fabric laminates, which is a computationally challenging case due the large number of plies and interfaces involved. The numerical results indicate that matrix cracking effects can be assumed negligible for the studied thin ply laminate while delamination and especially the fiber traction separation law shape are important for accurate predictions. Finally, the methodology is applied for the prediction of relatively large composite sub-components with the aim to show that the proposed methodology enables analyses at larger scales. It is demonstrated the potential of the methodology and employed techniques to address problems of industrial interest such as the strength prediction of both undamaged and damaged stiffened panels

Els materials compòsits són actualment utilitzats en diferents sectors industrials que busquen la reducció de pes estructural amb la finalitat de reduir el consum de combustible. La rigidesa i resistència que ofereixen en relació amb el seu pes els ha convertit en una excel·lent opció per aplicacions aeronàutiques. No obstant això, les càrregues a impacte són una de les principals preocupacions en el disseny d’estructures aeronàutiques fabricades amb laminats de material compòsit. És especialment el cas d’impactes a baixa velocitat que deixen dany difícil de detectar durant inspeccions visuals però que poden reduir significativament la resistència de l’estructura. L’ús de models numèrics fiables pot ajudar a reduir l’actual nombre d’assaigs experimentals que són costosos tant en temps com econòmicament. Tanmateix, l’aplicació de models numèrics en estructures de material compòsit de gran dimensió es veu limitada pel cost computacional que representen. A més, els models numèrics requereixen moltes definicions que afecten la seva eficiència, precisió, objectivitat i robustesa. La present tesi té com a objectiu desenvolupar una metodologia clara i eficient per realitzar prediccions fidedignes d’impacte a baixa velocitat i compressió després d’impacte en estructures de material compòsit que pugui ser aplicada en casos de rellevància científica i industrial. En primer lloc, es descriu una metodologia per a la simulació d’impacte a baixa velocitat i compressió després d’impacte en laminats de compòsit la qual és validada experimentalment a escala de proveta de laboratori. Les definicions més importants es discuteixen i es té especial atenció en aquelles que afecta l’eficiència computacional. Per una òptima discretització del model és desitjable conèixer la longitud de zona cohesiva. Noves fórmules per predir la longitud de zona cohesiva en delaminació es proposen per modes purs de fractura. Es realitza un estudi numèric comparatiu de diferents tecnologies d’element finit i d’interacció cohesiva típicament utilitzades en la literatura amb la finalitat de comparar la seva precisió i eficiència computacional. A més, es proposen criteris per definir paràmetres numèrics del model cohesiu que afecten el temps computacional. Els models numèrics poden ajudar a entendre la seqüència de dany durant esdeveniments d’impacte, els quals poden ser complicats d’analitzar experimentalment. La metodologia proposada s’aplica per predir la resposta a impacte i compressió després d’impacte en laminats de capes primes. És un cas que representa un repte computacional per l’elevat nombre de capes i interfases involucrades. Els resultats numèrics contrastats experimentalment indiquen que els efectes de trencament de matriu es poden obviar mentre que la delaminació i especialment la forma de la llei cohesiva de la fibra són de gran importància en les prediccions de laminats de capes primes. Finalment, la metodologia s’aplica per la predicció de sub-components rigiditzats de material compòsit amb la finalitat de mostrar que la metodologia permet anàlisis a escales majors. Es demostra el potencial de la metodologia i tècniques utilitzades per adreçar problemes d’interès industrial com és la predicció de la resistència d’un panell rigiditzat abans i després de ser danyat per un eventual impacte