Novel methodology for predicting delamination in 3D composite structures under multiple loading conditions and large process zones

Abstract

ENG- The overall objective of this thesis is to provide a tool for predicting delamination in composite materials

under different static and fatigue loading conditions in 3D structures. The methodology is intended to be

a practical guide for industry, providing a flexible tool capable of predicting the delamination behaviour of

new polymeric materials in an agile manner.

A review of the state of the art has shown that there is still some missing link between the physics responsible

for delamination and the state of the art models, especially for materials with large delamination

process zones. There is also a lack of validation tests that challenge the delamination predictions under different

loading conditions in 3D structures. This work contributes to the field of delamination characterisation

in composites with large process zones and builds a modelling and simulation strategy capable of predicting

delamination in composites with large process zones. A comprehensive validation of the delamination

prediction is also presented.

For delamination characterization, test procedures and data reduction methods that are suitable for

characterizing the delamination properties are summarized and the most suitable techniques for characterizing

large process zones are discussed and selected.

For the modelling and simulation strategy, the Cohesive Zone Modeling (CZM) approach is selected to

predict the delamination behavior. State-of-the-art static and fatigue CZM models are used as the core of

the simulation strategy, while novel developments are integrated, aimed at linking the simulation approach

with the physics of the delamination observed experimentally.

To validate the modelling and simulation strategy, a novel delamination benchmark test concept for

composite materials that allows non-straight crack fronts and non-self-similar delamination in characterization

specimens under complex loading conditions is presented. As validation of the modelling and simulation

strategy, a blind simulation of the benchmark test is proposed to evaluate the predictive capabilities of the

methodology.

Finally, the proposed methodology is exemplified by a case study illustrating the application of the

methodology to a real composite material with a large process zone. The material used in the case study is

the AS4D/PEKK-FC thermoplastic composite, exhibiting large delamination process zones

CAT- L'objectiu general d'aquesta tesi és proporcionar una eina per a la predicció de la delaminació en materials compostos sota diferents condicions de càrrega estática i de fatiga en estructures 3D. La metodologia pretén ser una guia pràctica per a la indústria, proporcionant una eina flexible capaç de determinar la forma ágil el comportament de la desminació de nous materials polimèrics.

Una revisió de l'estat de l'art ha puesto de manifiesta que encara falta algun eslabó entre la física responsable de la delaminació i els models de l'estat de l'art, especialment per als materials amb grans zones de procés de delaminació. També faltan assaigs de validació que han posat a prova les prediccions de delaminació sota diferents condicions de càrrega en estructures 3D. Aquest treball contribueix al camp de la caracterització de la delaminació en materials compostos amb grans zones de procés i construye una estratègia de modelització i simulació capaç de determinar la delaminació en materials compostos amb grans zones de procés. També es presenta una validació exhaustiva de la predicció de la delaminació.

Per a la caracterització de la delaminació, es reprèn els procediments d'assaig i els mètodes de reducció de dades adequats per caracteritzar les propietats de la delaminació i discutir i seleccionar les tècniques més adequades per caracteritzar grans zones del procés.

Per a l'estratègia de modelització i simulació, seleccioneu l'enfocament de modelització de zones cohesives (CZM) per determinar el comportament de la delaminació. S'utilitzen models CZM estàtics i de fatiga d'última generació com a nucli de l'estratègia de simulació, al temps que s'integren desenvolupaments nous, destinats a vincular l'enfocament de simulació amb la física de la delaminació observada experimentalment.

Per validar l'estratègia de modelització i simulació, es presenta un nou concepte d'assaig de referència de delaminació per a materials compostos que permeten fronts de grieta no rectos i delaminación no autosimilar en probes de caracterització sota condicions de càrrega compleja. Com a validació de l'estratègia de modelització i simulació, es proposa una simulació ciega de l'assaig de referència per avaluar la capacitat predictiva de la metodologia.

Per últim, la metodología proposta s'exemplifica amb un cas pràctic que il·lustra l'aplicació de la metodologia a un material compost real amb una àmplia zona de procés. El material utilitzat en el cas d'estudi és el compost termoplástico AS4D/PEKK-FC, que presenta grans zones de procés de deslaminació