Development of constitutive models for the accurate simulation of advanced polymer-based composites under complex loading states

Abstract

In recent decades, several meso-scale computational models have been developed for predicting the failure evolution and strength of composite materials. Nevertheless, the complex failure mechanisms of composites pose a formidable challenge to the development of models capable of consistently reproducing its mechanical response under different loading case scenarios. Furthermore, the lack of standardised multiaxial tests has hindered consensus on failure envelopes and criteria for composites. In this thesis, a new 3D elastoplastic damage model is then proposed to predict the plastic deformation and the progressive failure of unidirectional laminated composite materials at the meso-scale level.

A new plastic yield function and a new non-associative flow rule are proposed to properly define the evolution of the plastic strains. The transverse plastic Poisson's ratio and the volumetric plastic strains can be then imposed. The proposed model is developed under the continuum damage mechanics and the thermodynamics of irreversible process framework. The damage evolution laws are defined to account for the failure mechanisms on both longitudinal and transverse directions. The plastic yield function and the failure criteria can be adjusted by setting two and six input model parameters (envelope shape coefficients), respectively, to account for the mechanical behaviour of the material being analysed.

Guidelines are provided on how to characterise the input material parameters of the proposed model. In this line, a new methodology to measure the transverse Poisson's ratios in fibre-reinforced polymer composite materials is developed. Transverse tensile and transverse compressive standardised tests are instrumented using digital image correlation equipment to measure the strain field on the through-the-thickness surface of the specimens. A thermoplastic-based composite material is used to describe the proposed methodology. The elastic transverse Poisson's ratio exhibits a different behaviour in tension than in compression, its value being greater in compression than in tension. Assuming no plastic strain in the longitudinal direction, the plastic transverse Poisson's ratio in compression suggests no volumetric plastic strains for small axial plastic strains. However, plastic dilatancy is observed when the amount of compressive plastic axial strain increases

En les darreres dècades, diferents models computacionals a nivell meso s’han desenvolupat per predir l’evolució de la fractura i la resistència dels materials compostos. No obstant, els mecanismes de falla dels compostos són complexos i això fa que sigui un gran repte desenvolupar models capaços de reproduir el seu comportament sota diferents estats de càrrega de manera consistent. A més, la falta d’assajos multiaxials estandarditzats ha dificultat el consens sobre les evolvents i criteris de falla dels material compostos. En aquesta tesi s’ha proposat un nou model elastoplàstic amb dany en tres dimensions per predir la deformació plàstica i el dany progressiu dels laminats unidireccionals de material compost a l’escala meso.

Una nova funció de fluència plàstica i una nova regla de fluència no associada es proposen per definir correctament l’evolució de les deformacions plàstiques. Aleshores, es poden imposar el coeficient de Poisson transversal plàstic i les deformacions plàstiques volumètriques. El model proposat es basa en la mecànica del dany continu i la termodinàmica de processos irreversibles. Les lleis d’evolució del dany s’han definit per tenir en compte els mecanismes de falla en la direcció longitudinal i transversal. La funció de fluència plàstica i els criteris de falla es poden ajustar mitjançant dos i sis paràmetres d’entrada del model (coeficients de forma de les evolvents), respectivament, per considerar el comportament mecànic del material que està analitzant.

Es proporcionen pautes per caracteritzar els paràmetres d’entrada del model proposat. En aquesta línia, es desenvolupa una nova metodologia per mesurar els coeficients de Poisson transversal en materials compostos polimèrics reforçats amb fibra. S’instrumentalitzen assajos normalitzats de tracció i de compressió transversals mitjançant un equip de correlació digital d’imatges per mesurar el camp de deformacions a través de l’espessor de la superfície de les provetes. S’utilitza un material compost amb base termoplàstica per descriure la metodologia proposada. El coeficient de Poisson transversal mostra un comportament diferent a tracció que a compressió, sent el seu valor més gran a compressió que a tracció. Assumint que no hi ha deformació plàstiques en la direcció longitudinal, no hi ha deformacions plàstiques volumètriques segons el coeficient de Poisson transversal plàstic a compressió. En canvi, s’observa dilatància plàstica quan la deformació axial transversal a compressió augmenta