A study of failure analysis of composite profile with open cross-section under axial compression

• Autorzy: Różyło P.

Warianty tytułu

PL

Analiza zniszczenia kompozytowego profilu o przekroju otwartym poddanego osiowemu ściskaniu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents an experimental and numerical study investigating the load carrying capacity of thin-walled composite structures with an omega-shaped cross-section subjected to axial compression. The tested profile was made of carbon-epoxy laminate with symmetrical arrangement of the layers [0/90/0/90]s. The experimental tests were performed on a universal testing machine - Zwick Z100, under full load conditions until total failure of the structure. The post-critical equilibrium paths of the construction were determined, defining the relationship between compressive load and deflection and enabling the FE models to be validated. Based on the obtained post-critical equilibrium paths, the critical load of the construction was determined using well-known approximation methods. Simultaneously, numerical analysis was carried out by the finite element method using Abaqus® software. The critical state was determined via linear eigenvalue analysis, and the critical load and corresponding first buckling mode were estimated. The next stage of numerical analysis involved solving the nonlinear stability problem of the structure with initialized geometric imperfection reflecting the first buckling mode of the composite material. The geometrically non-linear problem was solved by the Newton-Raphson method. The load capacity of the composite profile in the post-buckling state was determined by the progressive failure criterion which estimates damage initiation in the composite material using the Hashin criterion. Progressive failure analysis is described with the energy criterion describing the stiffness degradation of finite elements. The obtained numerical simulation results showed very high correspondence with the presented experimental results conducted on real structures, which confirms the precise preparation of the developed numerical models of the composite structures.

PL

Praca dotyczy numeryczno-doświadczalnego badania nośności cienkościennych struktur kompozytowych o omegowym kształcie przekroju poprzecznego poddanych osiowemu ściskaniu. Profile wykonano z kompozytu węglowo-epoksydowego o symetrycznym układzie warstw względem płaszczyzny środkowej. W ramach przeprowadzonych badań rozpatrzono układ o krzyżowej konfiguracji ułożenia warstw laminatu [0/90/0/90]s. Badania eksperymentalne przeprowadzono z wykorzystaniem uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej Zwick Z100 w pełnym zakresie obciążeń, aż do całkowitego zniszczenia konstrukcji. Badania numeryczne stanu krytycznego z zastosowaniem liniowej analizy zagadnienia własnego miały na celu wyznaczenie postaci wyboczenia oraz wartości obciążenia krytycznego. Kolejny etap symulacji numerycznych obejmował rozwiązanie zagadnienia nieliniowej stateczności konstrukcji z zainicjowaną najniższą postacią wyboczenia. Zagadnienie geometrycznie nieliniowe prowadzono z wykorzystaniem przyrostowo-iteracyjnej procedury Newtona-Raphsona, wykorzystując jako narzędzie do obliczeń numerycznych program ABAQUS® . Obliczenia numeryczne utraty nośności konstrukcji przeprowadzono za pomocą implementacji algorytmu progresywnego kryterium zniszczenia (uwzględniając degradację sztywności elementów skończonych), w oparciu o uprzednio uwzględnione inicjacyjne kryterium zniszczenia Hashina. Otrzymane wyniki symulacji numerycznych wykazywały bardzo wysoką zgodność z prezentowanymi wynikami badań eksperymentalnych, prowadzonych na rzeczywistych strukturach. Wysoka zbieżność wyników świadczy o precyzyjnym przygotowaniu modelu MES.

Słowa kluczowe

EN

progressive failure analysis; CFRP; stiffness material degradation; uniaxial compression

PL

progresywna analiza zniszczenia; CFRP; degradacja materiału; osiowe ściskanie

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2018
• Tom: R. 18, nr 4
• Strony: 210--216
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Różyło P.

• Lublin University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Machine Design and Mechatronics, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

Bibliografia

• [1] German J., Podstawy mechaniki kompozytów włóknistych. Politechnika Krakowska, Kraków 2001.
• [2] Paszkiewicz M., Kubiak T., Selected problems concerning determination of the buckling load of channel section beams and columns, Thin-Walled Structures 2015, 93, 112-121.
• [3] Rozylo P., Teter A., Debski H., Wysmulski P., Falkowicz K., Experimental and numerical study of the buckling of composite profiles with open cross section under axial compression, Applied Composite Materials 2017, 24, 1251-1264.
• [4] Kollar L.P., Local buckling of fiber reinforced plastic composite structural members with open and closed cross sections, Journal of Structural Engineering 2003, 129.
• [5] Kollar L.P., Buckling of rectangular composite plates with restrained edges subjected to axial loads, Journal of Reinforced Plastics and Composites 2014, 33, 2174-2182.
• [6] Debski H., Teter A., Kubiak T., Numerical and experimental studies of compressed composite columns with complex open cross-sections, Composite Structures 2014, 118, 28-36.
• [7] Rozylo P., Wysmulski P., Falkowicz K., FEM and experimental analysis of thin-walled composite elements under compression, International Journal of Applied Mechanics and Engineering 2017, 22(2), 393-402.
• [8] Rozylo P., Debski H., Kral J., Buckling and limit states of composite profiles with top-hat channel section subjected to axial compression, AIP Conference Proceedings 2018, 1922, 080001.
• [9] Rozylo P., Experimental-numerical test of open section composite columns stability subjected to axial compression, Archives of Materials Science and Engineering 2017, 84(2), 58-64.
• [10] Calzada K.A., Kapoor S.G., DeVor R.E., Samuel J., Srivastava A.K., Modeling and interpretation of fiber orientation-based failure mechanisms in machining of carbon fiber-reinforced polymer composites, Journal of Manufacturing Processes 2012, 14, 141-149.
• [11] Dębski H., Jonak J., Failure analysis of thin-walled composite channel section profiles, Composite Structures 2015, 132, 567-574.
• [12] Kubiak T., Samborski S., Teter A., Experimental investigation of failure process in compressed channel-section GFRP laminate columns assisted with the acoustic emission method, Composite Structures 2015, 133, 921-929.
• [13] Wang L., Zheng C., Luo H., Wei S., Wei Z., Continuum damage modeling and progressive failure analysis of carbon fiber/epoxy composite pressure vessel, Composite Structures 2015, 134, 475-482.
• [14] Gliszczynski A., Kubiak T., Progressive failure analysis of thin-walled composite profiles subjected to uniaxial compression, Composite Structures 2017, 169, 52-61.
• [15] Liu P.F., Zheng J.Y., Progressive failure analysis of carbon fiber/epoxy composite laminates using continuum damage mechanics, Mater. Sci. Eng. A 2008, 485, 711-717.
• [16] Tonatto M.L.P., Forte M.M.C., Tita V., Amico S.C., Progressive damage modeling of spiral and ring composite structures for offloading hoses, Mater. Des. 2016, 108, 374-382.
• [17] Debski H., Rozylo P., Gliszczynski A., Effect of lowvelocity impact damage location on the stability and postcritical state of composite columns under compression, Composite Structures 2018, 184, 883-893.
• [18] Samborski S., Prediction of delamination front’s advancement direction in the CFRP laminates with mechanical couplings subjected to different fracture toughness tests, Composite Structures 2018, 202, 643-650.
• [19] Lemaitre J., Plumtree A., Application of damage concepts to predict creep fatigue failures, J. Eng. Mater. Technol. 1979, 101(3), 284-292.
• [20] Ribeiro M.L., Vandepitte D., Tita V., Damage model and progressive failure analyses for filament wound composite laminates, Appl. Compos. Mater. 2013, 20, 975-992.
• [21] Li W., Cai H., Li Ch., Wang K., Fang L., Progressive failure of laminated composites with a hole under compressive loading based on micro-mechanics, Adv. Compos. Mater. 2014, 23(5-6), 477-490.
• [22] Iannucci L., Ankersen J., An energy based damage model for thin laminated composites, Compos. Sci. Technol. 2006, 66, 934-951.
• [23] Bisagni Ch., Di Pietro G., Fraschini L., Terletti D., Progressive crushing of fiber reinforced composite structural components of a Formula One racing car, Compos. Struct. 2005, 68, 491-503.
• [24] Kachanov L.M., On the time to failure under creep conditions, Izv. AN, Otd. Tekhn. 1958, 8, 26-31.
• [25] Hashin Z., Rotem A., A fatigue failure criterion for fibre reinforced materials, J. Compos. Mater. 1973, 7, 448-464.
• [26] Hashin Z., Failure criteria for unidirectional fibre composites, J. Appl. Mech. 1980, 47, 329-334.
• [27] Matzenmiller A., Lubliner J., Taylor LR., A constitutive model for anisotropic damage in fiber composites, Mech. Mater. 1995, 20, 125-152.
• [28] Camanho P.P., Maimí P., Dávila C.G., Prediction of size effects in notched laminates using continuum damage mechanics, Compos. Sci. Technol. 2007, 67(13), 2715-2727.
• [29] Camanho P.P., Matthews F.L., A progressive damage model for mechanically fastened joints in composite laminates, J. Comp. Mater. 1999, 33, 2248-2280.
• [30] Barbero E.J., Cosso F.A., Determination of material parameters for discrete damage mechanics analysis of carbon epoxy laminates, Compos. Part B 2014, 56, 638-646.
• [31] Barbero E.J., Cosso F.A., Roman R., Weadon T.L., Determination of material parameters for abaqus progressive damage analysis of E-glass epoxy laminates, Compos. Part B 2013, 46, 211-220.
• [32] Zienkiewicz O.C., Taylor R.L., Finite Element Method (5th Edition) Volume 2 - Solid Mechanics, Elsevier 2000.
• [33] Dębski H., Badania numeryczne i doświadczalne stateczności i nośności kompozytowych słupów cienkościennych poddanych ściskaniu, Zeszyty Naukowe nr 1161, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2013.
• [34] Abaqus HTML Documentation.
• [35] Lapczyk I., Hurtado J.A., Progressive damage modeling in fiber-reinforced materials, Composites Part A 2007, 38, 2333-2341.

Uwagi

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