Simulation of Delamination in a Composite Using a Shell-beam Mesoscale Finite Element Model

• Autorzy: Marszałek J. , Stadnicki J.

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0012.1319

Warianty tytułu

PL

Symulacja delaminacji w kompozycie z wykorzystaniem belkowo-powierzchniowego mezoskalowego modelu MES

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents a new method of delamination modelling in a fabric-reinforced laminate using a shell-beam mesoscale FE model. This original laminate model enables the analysis of the resistance of composite structures in which the reinforcement can be technical fabric of various weaves or a layer of parallel rovings, e.g. made of carbon fibres.It includes an experimental part in which flat specimens of laminate were delaminated according to three basic schemes: tensile opening, sliding shear and tearing shear. The aim of the experimental studies was to obtain load-displacement curves, which were used to define the conditions of initiation and propagation conditions of cracks in the calculation model as well as to perform theirexperimental verification. Specimens of the laminate tested were modelled using a mesoscale FE model, in which the components, i.e. the rovings, were modelled in a simplified manner with finite elements of the beam type and a matrix with finite elements of the shell type. The bondings between adjacent laminate layers were also modelled with beam elements. The simulation results were compared with those of experimental delamination tests, and the convergence obtained confirmed the correctness of the modelling method developed.

PL

Artykuł przedstawia nową metodę modelowania delaminacji w laminacie wzmocnionym tkaniną z wykorzystaniem powierzchniowo-belkowego mezoskalowego modelu MES. Ten autorski model laminatu umożliwia analizę wytrzymałości konstrukcji kompozytowych, w których zbrojeniem może być tkanina techniczna o różnym splocie lub warstwa równoległych tasiemek np. z włókien węglowych. Artykuł obejmuje część doświadczalną, w której rozwarstwiano płaskie próbki laminatu według trzech podstawowych schematów: rozrywania, ścinania wzdłużnego i ścinania poprzecznego. Celem badań doświadczalnych było otrzymanie charakterystyk obciążeniowo-przemieszczeniowych, które posłużyły do zdefiniowania warunków inicjacji i propagacji pęknięć w modelu obliczeniowym oraz do przeprowadzenia jego weryfikacji doświadczalnej. Próbki badanego laminatu zostały zamodelowane za pomocą autorskiego mezoskalowego modelu MES, w którym komponenty tj. tasiemki tkaniny wzmocnienia odwzorowano w uproszczeniu elementami skończonymi typu belkowego a osnowę elementami skończonymi typu powierzchniowego. Wiązania między sąsiednimi warstwami laminatu zamodelowano również elementami belkowymi. Wyniki symulacji porównano z wynikami prób doświadczalnego rozwarstwiania, a uzyskana zgodność potwierdziła poprawność opracowanego sposobu modelowania.

Słowa kluczowe

EN

woven composite laminate; delamination; experiment; finite element method; FEM; modes of fracture

PL

laminat kompozytowy; delaminacja; eksperyment; metoda elementów skończonych; MES; sposoby pękania

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Łódzki Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Fibres & Textiles in Eastern Europe
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 26, no. 4 (130)
• Strony: 97--103
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Marszałek J.

• University of Bielsko-Biala, Faculty of Mechanical Engineering and Computer Science, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biala, Poland

autor

Stadnicki J.

• University of Bielsko-Biala, Faculty of Mechanical Engineering and Computer Science, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biala, Poland

Bibliografia

• 1. Azzam A, Li W. Experimental investiga¬tion on the impact behaviour of composite laminate. FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe 2015; 23, 1(109): 77-84.
• 2. Bednarcyk BA, Stier B, Simon J-W, Reese S, Pineda EJ. Meso- and micro-scale modeling of damage in plain weave composites. Composite Structures 2015; 121: 258-270.
• 3. Goda I, Assidi M, Ganghoffer J-F. Equivalent mechanical properties of textile monolayers from discrete asymptotic homogenization. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 2013; 61: 2537-2565.
• 4. Gatouillat S, Bareggi A, Vidal-Sallé E, Boisse P. Meso modelling for composite preform shaping – Simulation of the loss of cohesion of the woven fibre network. Composites: Part A 2013; 54: 135-144.
• 5. Stadnicki J, Tokarz Z. Mesoscale finite element model for calculating deformations of laminate composite constructions. Advances in Mechanical Engi¬neering 2016; 8(2): 1-9.
• 6. Marszałek J. Mezoskalowe modele MES kompozytów o zmiennej orientacji warstw wzmocnienia. Przegląd Mechaniczny 2017; 7-8: 39-41.
• 7. Soni G, Singh R, Mitra M, Falzon BG. Modelling matrix damage and fibre-matrix interfacial decohesion in composite laminates via a multi-fibre multi-layer representative volume element (M2RVE). International Journal of Solids and Structures 2014; 51: 449-461.
• 8. Jia X, Xia Z, Gu B. Nonlinear viscoelas¬tic multi-scale repetitive unit cell model of 3D woven composites with damage evolution. International Journal of Solids and Structures 2013; 50: 3539-3554.
• 9. de Morais AB, Pereira AB. Mixed mode II + III interlaminar fracture of carbon/ epoxy laminates. Composites Science and Technology 2008; 68: 2022-2027.
• 10. Liu PF, Islam MM. A nonlinear cohesive model for mixed-mode delamination of composite laminates. Composite Struc¬tures 2013; 106: 47-56.
• 11. ANSYS Inc., ANSYS Mechanical APDL Theory Reference ver. 17.2; 2016.
• 12. Skvortsov YuV, Chernyakin SA, Glush¬kov SV, Perov SN. Simulation of fatigue delamination growth in composite lam¬inates under mode I loading. Applied Mathematical Modelling 2016; 40:7216- 7224.
• 13. Lindgaard E, Bak BLV, Glud JA, Sjølund J, Christensen ET. A user programmed cohesive zone finite element for ANSYS Mechanical. Engineering Fracture Me¬chanics 2017; 180: 229-239.
• 14. Naghipour P, Schneider J, Bartsch M, Hausmann J, Voggenreiter H. Fracture simulation of CFRP laminates in mixed mode bending. Engineering Fracture Mechanics 2009; 76: 2821-2833.
• 15. Carlsson LA, Adams DF, Pipes RB. Ex¬perimental characterization of advanced composite materials – fourth edition. CRC Press, Boca Raton, FL, 2014.
• 16. Marat-Mendes R, de Freitas M. Char¬acterisation of the edge crack torsion (ECT) test for the measurement of the mode III interlaminar fracture tough¬ness. Engineering Fracture Mechanics 2009; 76: 2799-2809.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).