Methodology for the experimental characterisation of mode I delamination under different loading rates

Abstract

The rate-dependent behaviour of the interlaminar fracture toughness of fibre reinforced composites has been a matter of research during the last decades. However, the results obtained so far are not conclusive and further analysis is required. In parallel, the correct characterisation of these material properties should promote the development of reliable constitutive models for the simulation of dynamic events. The research carried out in this thesis starts by trying to identify and understand the governing parameters involved in dynamic testing of mode I fracture toughness. With this in mind, a time-based threshold criterion is proposed to determine when dynamic effects might be neglected during the analysis of a high loading rate Double Cantilever Beam (DCB) test. The criterion compares the time after which inertia effects can be neglected in the specimen, known as transition time, versus the time for the initiation of fracture propagation. Three different methods are considered for determining the transition time: an analytical approach, a numerically-based method and a graphic method through FE simulations. Good agreement is found when comparing the derived expressions with the results of numerical simulations. It is also demonstrated that the transition time is affected by the velocity profile. The proposed criterion and approach to determine the transition time are useful tools to define when a quasi-static data reduction scheme can be used, providing an initial framework to mark off the analysis of high-rate tests

La caracterització de la tenacitat a la fractura interlaminar dels materials compostos respecte la velocitat de deformació ha estat un tema rellevant de recerca durant les últimes dècades. Tot i així, els resultats obtinguts fins ara no són concloents i es fa necessari continuar investigant sobre el tema. Al mateix temps, una correcta catacterització d'aquestes propietats permetria el desenvolupament de models constitutius adaptats per a la simulació d'esdeveniments dinàmics. El treball de recerca durant aquesta tesi parteix de la identificació i la comprensió dels paràmetres de govern involucrats en els assajos dinàmics de tenacitat a la fractura en mode I. Amb això en ment, es proposa un criteri de temps límit o llindar amb la finalitat de determinar quan es poden menysprear els efectes dinàmics durant l'anàlisi d'un assaig de doble biga en voladiu (o de l’anglès, Double Cantilever Beam, DCB) en assaigs amb alta velocitat d’aplicació de la càrrega. El criteri compara el temps després del qual es poden menysprear els efectes d'inèrcia, conegut com temps de transició, amb el temps transcorregut per a l'inici de la propagació de la fractura. En concret, es consideren tres mètodes diferents per a determinar el temps de transició: un mètode analític, un mètode basat en una anàlisi numèrica i un mètode gràfic per mitjà de simulació per elements finits. Al comparar els resultats de les expressions obtingudes amb els resultats de simulacions numèriques es troba un comportament similar entre ells. També es demostra que el temps de transició es veu afectat pel perfil de velocitat de càrrega. Finalment, es pot esmentar que tant el criteri límit com la metodologia proposada per a determinar el temps de transició són eines útils per a definir quan es pot utilitzar un esquema de reducció de dades quasi-estàtic. Això permet un marc inicial per a delimitar l'anàlisi de les proves sota condicions de càrrega a alta velocitat