Modelowanie strefy kohezyjnej

• Autorzy: Dobrzański P.

Identyfikatory

DOI

10.5604/05096669.1205297

Warianty tytułu

EN

Cohesive zone modeling

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przeglądowy artykuł zawiera stan wiedzy dotyczący modelowania delaminacji z wykorzystaniem elementów kohezyjnych w kompozytach o spoiwie polimerowym, dostępnych w komercyjnym oprogramowaniu MES (np. w programie Abaąus). W artykule opisano działanie elementów kohezyjnych w warunkach pojedynczego i mieszanego sposobu pękania elementów o charakterystyce biliniowej. Elementy kohezyjne mogą przyjmować różne charakterystyki. W artykule zostały opisane różnice w wynikach uzyskanych z wykorzystaniem różnych charakterystyk. Opisane zostały również stałe materiałowe wymagane do definicji modelu. Wyznaczenie wartości tych stałych metodą eksperymentalną jest trudne do zrealizowania. W artykule przybliżono metody eksperymentalne oraz opisano kalibrację modelu pozwalającą na oszacowanie stałych, bazując na znormalizowanych badaniach. Artykuł ma na celu wyjaśnić sposób działania elementów kohezyjnych w komercyjnych programach MES i wskazać trudności związane z ich wykorzystywaniem.

EN

This review article contain description of cohesive zone modeling before delamination front in composite materials with polymer matrix. For this purpose the cohesive elements are proposed. Work of these elements were characterized in pure and mix mode loading. Different shapes of cohesive law, their parameters and influence on performing calculation and results were described. The aimi of this article is to shortly explains work of cohesive elements which are implemented in commercial FEM programs but they are not enough described in manuals and brings closer problems which could be encountered.

Słowa kluczowe

PL

delaminacja; rozwarstwienie; elementy kohezyjne; strefa kohezyjna

EN

delamination; cohesive elements; cohesive zone

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Lotnictwa
• Rocznik: 2016
• Tom: Nr 2 (243)
• Strony: 170--186
• Opis fizyczny: Bibliogr. 53 poz., rys., wzory

Twórcy

autor

Dobrzański P.

• Centrum Technologii Kompterowych, Instytut Lotnictwa, Al. Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa

Bibliografia

• [1] Raju, I. S., and O'brien, T. K., 2008, "1 - Fracture mechanics concepts, stress fields, strain energy release rates, delamination initiation and growth criteria." Delamination Behaviour of Composites, S. Sridharan, ed., Woodhead Publishing, pp. 3-27.
• [2] Choi, H. Y., and Chang, F.-K., 1992, "A Model for Predicting Damage in Graphite/Epoxy Laminated Composites Resulting from Low-Velocity Point Impact," J. Compos, Mater., 26(14), pp. 2134-2169.
• [3] Yen, C. -F., 2002, "Ballistic Impact Modeling of Composite Materials", Dearborn, Michigan, pp. 6.15-6.26.
• [4] Rybicki, E. F., and Kanninen, M. F., 1977, "A finite element calculation of stress intensity factors by a modified crack closure integral", Eng. Fract. Mech., 9(4), pp. 931-938.
• [5] SAE, and NIAR, eds., 2012, Composite materials handbook, SAE International on behalf of CMH-17, a division of Wichita State University, Warrendale, Pa.
• [6] Harper, P. W. and Hallett, S. R., 2008, "Cohesive zone length in numerical simulations of composite delamination", Eng. Fract. Mech., 75(16), pp. 4774-4792.
• [7] Czarnocki, P., and Dobrzański, P., 2012, "Wykorzystanie elementów kohezyjnych do symulacji rozwoju rozwarstwień w laminatach polimerowych", Przegląd Mech., (6), pp. 24-31.
• [8] Lopes, C. S., Camanho, P. P., Gürdal, Z., Maimi, P., and González, E. V., 2009, "Low-velocity impact damage on dispersed stacking sequence laminates. Part II: Numerical simulations", Compos. Sci. Technol., 69(7-8), pp. 937-947.
• [9] Pieczonka, Ł., Brożek, G.. and Uhl, T., 2012, "Symulacja uszkodzenia płyty kompozytowej pod wpływem obciążeń udarowych". Model. Inż., 14(45), pp. 145-149.
• [10] Tan, W., Falzon, B. G., Chiu, L. N. S., and Price, M., 2015. "Predicting low velocity impact damage and Compression-After-Impact (CAI) behaviour of composite laminates". Compos. Part Appl. Sci. Manuf., 71(0), pp. 212-226.
• [11] Allegri, G., Kawashita, L. F., Backhous,. R., Wisno,. M. R., and Hallett, S. R., 2009, "On the optimization of tapered composite laminates in preliminary structural design"., Edinburgh, UK.
• [12] Bajurko, P., Czarnocki, P., and Szeląg, D., 2011, "Modelowanie numeryczne rozwoju delaminacji w: warunkach obciążeń cyklicznych", Pr. Inst. Lotnictwa, (221), pp. 189-193.
• [13] Mazurkiewicz, L., Damaziak, K., Małachowski, J., Gotowicki, P., and Baranowski, R., 2012, "Badania procesu delaminacji próbek kompozytowych w aspekcie oceny ich energochłonności", Model. Inż., (43), pp. 169-176.
• [14] Camanho, P. P., and Davila, C. G., 2002, Mixed-Mode Decohesion Finite Elements for the Simulation of Delamination in Composite Materials, NASA Langley Research Center: Hampton, VA. United States.
• [15] Pinho, S. T., Iannucci, L., and Robinson, P., 2006, "Formulation and implementation of decohesion elements in an explicit finite element code", Compos. Part Appl. Sci. Manuf., 37(5), pp. 778-789.
• [16] Guiamatsia, I., Davies, G. A. O., Ankersen, J. K., and Iannucci, L., 2010, "A framework for cohesive element enrichment". Compos. Struct., 92(2), pp. 454-459.
• [17] Spring, D. W., and Paulino, G. H., 2014, "A growing library of three-dimensional cohesive elements for use in ABAQUS", Eng. Fract. Mech., 126, pp. 190-216.
• [18] Liu, P. F., and Islam, M. M., 2013, "A nonlinear cohesive model for mixed-mode delamination of composite laminates", Compos. Struct., 106, pp. 47-56.
• [19] Tvergaard, V., and Hutchinson, J. W., 1992, "The relation between crack growth resistance and fracture process parameters in elastic-plastic solids", J. Mech. Phys. Solids, 40(6), pp. 1377-1397.
• [20] Chandra, N., Li, H., Shet, C. and Ghonem, H., 2002, "Some issues in the application of cohesive zone models for metal-ceramic interfaces", Int. J. Solids Struct., 39(10), pp. 2827-2855.
• [21] Liu, R F., Gu. Z. P., Peng, X. Q., and Zheng, J. Y., 2015, "Finite element analysis of the influence of cohesive law parameters on the multiple delamination behaviors of composites under compression", Compos. Struct., 131, pp. 975-986.
• [22] Fan, C., Jar, P. -Y. B., and Cheng, J. J. R., 2008, "Cohesive zone with continuum damage properties for simulation of delamination development in fibre composites and failure of adhesive joints", Eng. Fract. Mech., 75(13), pp. 3866-3880.
• [23] Alfano, G., 2006, "On the influence of the shape of the interface law on the application of cohesive-zone models", Adv. Statics Dyn. Delamination Workshop Adv. Model. Delamination Compos. Mater. Struct., 66(6). pp. 723-730.
• [24] Zhao, L., Gong, Y., Zhang, J., Chen, Y. and Fei, B., 2014, "Simulation of delamination growth in multidirectional laminates under mode I and mixed mode I/II loadings using cohesive elements", Compos. Struct., 116, pp. 509-522.
• [25] Turon, A., Davila, C. G., Camanho, P. P., and Costa, J., 2007, "An engineering solution for mesh size effects in the simulation of delamination using cohesive zone models", Eng. Fract. Mech., 74(10), pp. 1665-1682.
• [26] Moës, N., and Belytschko, T., 2002, "Extended finite element method for cohesive crack growth", Eng. Fract. Mech., 69(7), pp. 813-833.
• [27] Hillerborg, A., Modéer, M., and Petersso, P. -E., 1976. "Analysis of crack formation and crack growth in concrete by means of fracture mechanics and finite elements". Cem. Concr. Res., 6(6), pp. 773-781.
• [28] Yang, Q. D., Cox, B. N., Nalla, R. K., and Ritchie, R. O., 2006. "Fracture length scales in human cortical bone: The necessity of nonlinear fracture models". Biomaterials, 27(9), pp. 2095-2113.
• [29] Bao. G.. and Suo, Z.. 1992. "Remarks on Crack-Bridging Concepts." Appl. Mech. Rev., 45(8), pp. 355-366.
• [30] Cox, B. N., and Marshall, D. B., 1994, "Concepts for bridged cracks in fracture and fatigue", Acta Metall. Mater., 42(2), pp. 341-363.
• [31] Hui, C. -Y., A., J., Bennison, S. J., and Londono, J. D., 2003, "Crack blunting and the strength of soft elastic solids". Proc. R. Soc. Lond. Math. Phys. Eng. Sci., 459(2034), pp. 1489-1516.
• [32] Dugdale, D. S., 1960, "Yielding of steel sheets containing slits". J. Mech. Phys. Solids, 8(2), pp. 100-104.
• [33] Falk, M. L., Needleman, A., and Rice, J. R., 2001, "A critical evaluation of cohesive zone models of dynamic fractur", J. Phys. IV, 11(PR5), pp. Pr5-43-Pr5-50.
• [34] Smith, E., 1999, "The Effect of the Stress-Relative Displacement Law on Failure Predictions Using the Cohesive Zone Model", Int. J. Fract., 99(1-2), pp. 41-51.
• [35] Planas, J., and Elices, M., 1991, "Nonlinear fracture of cohesive materials". Int. J. Fract., 51(2), pp. 139-157.
• [36] Svensson, D., Alfredsson, K. S., Biel, A., and Stigh, U., 2014, "Measurement of cohesive laws for interlaminar failure of CFRP". Compos. Sci. Technol., 100, pp. 53-62.
• [37] Dobrzański, L. A., 2002, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo : materiały inżynierskie z podstawami projektowania materiałowego., Wydawnictwa Naukowo-Techniczne. Warszawa: Gliwice.
• [38] Aymerich. F.. Dore. F. and Priolo. P. 2008. "Prediction of impact-induced delamination in cross-ply composite laminates using cohesive interface elements". Deform. Fract. Compos. Anal. Numer. Exp. Tech. Regul. Pap., 68(12), pp. 2383-2390.
• [39] Rice, J. R., 1968, "A Path Independent Integral and the Approximate Analysis of Strain Concentration by Notches and Cracks", J. Appl. Mech., 35(2), pp. 379-386.
• [40] Sorensen, B., Jorgensen, K., Jacobsen, T., and Ostergaard, R., 2006, "DCB-specimen loaded with uneven bending moments", Int. J. Fract., 141(1-2), pp. 163-176.
• [41] Sorensen, B. F., and Jacobsen, T. K., 2009, "Characterizing delamination of fibre composites by mixed mode cohesive laws", Compos. Sci. Technol., 69(3-4), pp. 445-456.
• [42] Sorensen, L., Botsis, J., Gmtir, T., and Humbert, L., 2008, "Bridging tractions in mode I delamination: Measurements and simulations", Deform. Fract. Compos. Anal. Numer. Exp. Tech. Regul. Pap., 68(12), pp. 2350-2358.
• [43] Philippe Giaccari and Gabriel R. Dunkel and Laurent Humbert and John Botsis and Hans G. Limberaer and René P. Salathé, 2005, "On a direct determination of non-uniform internal strain fields using fibre Bragg gratings", Smart Mater. Struct., 14(1), p. 127.
• [44] Daudeville, L., Allix, O., and Ladevèze, P., 1995, "Delamination analysis by damage mechanics: Some applications". Compos. Eng., 5(1), pp. 17-24.
• [45] R. Wisnom, M., and Chang, F-K., 2000, "Modelling of splitting and delamination in notched cross-ply laminates", Compos. Sci. Technol., 60(15), pp. 2849-2856.
• [46] Zou, Z., Reid, S., and Li, S., 2003, "A continuum damage model for delaminations in laminated composites", J. Mech. Phys. Solids, 51(2), pp. 333-356.
• [47] Turon, A., Camanho, P. P., Costa, J., and Davila, C. G., 2006, "A damage model for the simulation,of delamination in advanced composites under variable-mode loading", Mech. Mater., 38(11), pp. 1072-1089.
• [48] Alfano, G., and Crisfield, M. A., 2001, "Finite element interface models for the delamination analysis, of laminated composites: mechanical and computational issues", Int. J. Numer. Methods Eng., 50(7), pp. 1701-1736.
• [49] Heidari-Rarani, M., Shokrieh, M. M., and Camanho, P. P., 2013, "Finite element modeling of mode I delamination growth in laminated DCB specimens with R-curve effects", Compos. Part B Eng., 45(1), pp. 897-903.
• [50] J. Chen, Y. Q., M. Crisfield, A. J., Kinloch, E. P. Busso, F. L., Matthews, 1999, "Predicting Progressive Delamination of Composite Material Specimens via Interface Elements", Mech. Compos. Mater. Struct., 6(4), pp. 301-317.
• [51] Sin, Y., Swait, T., and Soutis, C., 2012, "Modelling damage evolution in composite laminates subjected to low velocity impact", Compos. Struct., 94(9), pp. 2902-2913.
• [52] Reeder, J. R., 2006, "3D Mixed-Mode Delamination Fracture Criteria-An Experimentalist's Perspective", Dearborn, MI; United States, p. 19p.
• [53] "Abaqus Analysis User's Manual - Dokumentacja programu Abaqus 6.12."

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę