Analysis of cohesive zone model parameters on response of glass-epoxy composite in mode II interlaminar fracture toughness test

• Autorzy: Dadej K. , Surowska B.

Warianty tytułu

PL

Analiza parametrów modelu warstwy kohezyjnej na odpowiedź kompozytu epoksydowo-szklanego w testach wytrzymałości międzywarstwowej w II sposobie pękania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The purpose of the performed study was to provide the best possible representation of the response of a beam subjected to Interlaminar Fracture Toughness testing in Mode II in the course of the End Notched Flexure test. The beam was modelled numerically with the results obtained in experimental tests. Furthermore, analysis was carried out in order to determine the parameters of the traction-separation law in the ABAQUS program defined for the cohesion layer, which have a key impact on the response of the cracking composite beam in the End Notched Flexure test. Experimental tests were conducted on composite beams reinforced with 'E' type fibre glass in an epoxy resin matrix. A composite plate 4.3 mm thick produced in the autoclave process was cut into beams with dimensions of 150 x 25 mm in a manner ensuring an initial delamination length of 30 mm. A numerical model of the composite material with a cohesion layer based on the determined value of fracture energy in Mode II was developed in the ABAQUS program on the basis of experimental tests. The analysis of the impact of the parameters defined in the traction-separation law on the response of the cracking composite beam was conducted on the basis of numerical simulations. The results obtained from the numerical analyses show a strong dependence between the cohesion layer parameters and the response of the composite beam, also in case of a constant value of fracture toughness. It was determined which of the parameters defined in the ABAQUS program have a key impact on the composite cracking process. Finally, very good convergence was achieved for the beam response in the numerical model and in the experiment in terms of force-displacement curves, the critical value of force and displacement causing energy release and crack length in the composite.

PL

Celem przeprowadzonych prac było jak najlepsze odwzorowanie odpowiedzi belki poddanej badaniu Interlaminar Fracture Toughness w Mode II w teście End Notched Flexure, zamodelowanej numerycznie z wynikami otrzymanymi w testach doświadczalnych. Ponadto, przeprowadzona została analiza mającą na celu zbadanie, które z parametrów prawa trakcja - separacja w programie ABAQUS definiowanego dla warstwy kohezyjnej mają kluczowy wpływ na odpowiedź pękającej belki kompozytowej w badaniu End Notched Flexure. Przedmiotem badań eksperymentalnych były belki kompozytowe wzmocnione włóknem szklanym typu E w osnowie żywicy epoksydowej. Płytę kompozytową o grubości 4,3 mm wytworzoną metodą autoklawową pocięto na belki o wymiarach 150 x 25 mm w taki sposób, żeby otrzymać długość początkową delaminacji równą 30 mm. W programie ABAQUS na podstawie badań eksperymentalnych został opracowany model numeryczny materiału kompozytowego wraz z warstwą kohezyjną bazującą na wyznaczonej wartości energii pękania w Mode II. Na podstawie symulacji numerycznych przeprowadzono analizę wpływu parametrów definiowanych w prawie trakcja - separacja na odpowiedź pękającej belki kompozytowej. Wyniki analiz numerycznych wskazują na dużą zależność pomiędzy wartościami parametrów warstwy kohezyjnej a odpowiedzią belki kompozytowej również przy stałej wartości energii pęknięcia. Przedstawiono, które z parametrów definiowanych w programie ABAQUS mają kluczowy wpływ na proces pękania kompozytów. Finalnie, osiągnięta została bardzo duża zbieżność odpowiedzi belki w modelu numerycznym i eksperymencie, biorąc pod uwagę charakterystyki siła-przemieszczenie, wartość krytyczną siły i przemieszczenia powodujących uwolnienie energii i wzrost pęknięcia w kompozycie.

Słowa kluczowe

EN

interlaminar fracture toughness; mode II; cohesive zone method; numerical modelling

PL

wytrzymałość na pękanie; II sposób pękania; metoda warstwy kohezyjnej; modelowanie numeryczne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2016
• Tom: R. 16, nr 3
• Strony: 180--188
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Dadej K.

• Lublin University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Materials Engineering, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

autor

Surowska B.

• Lublin University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Materials Engineering, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

Bibliografia

• [1] Bieniaś J., Jakubczak P., Surowska B., Dragan K., Low-energy impact behaviour and damage characterization of carbon fibre reinforced polymer and aluminium hybrid laminates, Archives of Civil and Mechanical Engineering 2015, 15(4), 925-932.
• [2] Dadej K., Jakubczak P., Bieniaś J., Surowska B., The influence of impactor energy and geometry on degree of damage of glass fiber reinforced polymer subjected to low-velocity impact, Composites Theory and Practice 2015, 15(3), 163-167.
• [3] Bieniaś J., Jakubczak P., Dadej K., Low-velocity impact resistance of aluminium glass laminates - Experimental and numerical investigation, Composite Structures 2016, 152, 339-348.
• [4] Zhang J., Zhang X., Simulating low-velocity impact induced delamination in composites by a quasi-static load model with surface-based cohesive contact, Composite Structures 2015, 125, 51-57.
• [5] Tan W., Brian G.F., Louis N.S.C., Price M., Predicting low velocity impact damage and Compression-After-Impact (CAI) behaviour of composite laminates, Composites: Part A 2015, 71, 212-226.
• [6] Jakubczak P., Bieniaś J., Dadej K., Zawiejski W., The issue of residual strength tests of thin fibre metal laminates, Composites Theory and Practice 2014, 14(3) 134-138.
• [7] Liu P.F., Gu Z.P., Peng X.Q., Zheng J.Y., Finite element analysis of the influence of cohesive law parameters on the multiple delamination behaviors of composites under compression, Composite Structures 2015, 131, 975-986.
• [8] Dugdale D.S., Yielding of steel sheets containing slit, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 1960, 8(2), 100-104.
• [9] Barenblatt G.I., The mathematical theory of equilibrium cracks in brittle fracture, Advances in Applied Mechanics 1962, 7, 55-129.
• [10] Camanho P.P., Davila C.G., de Moura M.F., Numerical simulation of mixed-mode progressive delamination in the composite materials, Journal of Composite Materials 2003, 37(16), 1415-1438.
• [11] Turon A., Camanho P.P., Costaa J., Dávila C.G., A damage model for the simulation of delamination in advanced composites under variable-mode loading, Mechanics of Materials 2006, 38(11), 1072-1089.
• [12] Shor O., Vaziri R., Adaptive insertion of cohesive elements for simulation of delamination in laminated composite materials, Engineering Fracture Mechanics 2015, 146, 121-138.
• [13] Borg R., Nilsson L., Simonsson K., Simulating DCB, ENF and MMB experiments using shell elements and a cohesive zone model, Composites Science and Technology 2004, 64, 269-278.
• [14] Zhao L., Gong Y., Zhang J., Chen Y., Fei B., Simulation of delamination growth in multidirectional laminates under mode I and mixed mode I/II loadings using cohesive elements, Composite Structures, 2014, 116, 509-522.
• [15] Lopes C.S., Sadaba S., Gonzalez C., LLorca J., Camanho P.P., Physically-sound simulation of low-velocity impact on fiber reinforced laminates, International Journal of Impact Engineering 2015, 1-15.
• [16] Jing-Fen C., Morozov E.V., Krishnakumar S., Simulating progressive failure of composite laminates including in-ply and delamination damage effects, Composites: Part A, 2014, 61, 185-200.
• [17] Rots J.G., Strain-softening analysis of concrete fracture specimens. In: Wittmann FH, editor. Fracture Toughness and Fracture Energy of Concrete, Elsevier, Amsterdam 1986, 137-148.
• [18] Volokh K.Y., Comparison between cohesive zone models, Communications in Numerical Methods in Engineering 2004, 20(11), 845-56.
• [19] Chandra N., Li H., Shet C., Ghonemb H., Some issues in the application of cohesive zone models for metal-ceramic interfaces, International Journal of Solids and Structures 2002, 39(10), 2827-2855.
• [20] Bieniaś J., Gliszczynski A., Jakubczak P., Kubiak T., Majerski K., Influence of autoclaving process parameters on the buckling and postbuckling behaviour of thin-walled channel section beams, Thin-Walled Structures 2014, 85, 262-270.
• [21] Budzik M.K., Jumel J., Ben Salem N., Shanahan M.E.R., Instrumented end notched flexure - Crack propagation and process zone monitoring Part II: Data reduction and experimental, International Journal of Solids and Structures 2013, 50, 310-319.
• [22] Schon J., Nyman T., Blomb A., Ansell H., Numerical and experimental investigation of a composite ENF-specimen, Engineering Fracture Mechanics 2000, 65, 405-433.
• [23] Dassault Systemes Simulia Corp. Abaqus 6.14 Documentation. 2014. Providence, RI, USA.
• [24] Joki R.K., Grytten F., Hayman B., Sørensen B.F., Determination of a cohesive law for delamination modelling - Accounting for variation in crack opening and stress state across the test specimen width, Composites Science and Technology 2016, 128, 49-57.
• [25] Soto A., González E.V., Maimí P., Turon A., Sainz de Aja J.R., de la Escalera F.M., Cohesive zone length of orthotropic materials undergoing delamination, Engineering Fracture Mechanics 2016, 159, 174-188.
• [26] Freed Y., Banks-Sills L., A new cohesive zone model for mixed mode interface fracture in biomaterials, Engineering Fracture Mechanics 2008, 75(15), 4583-4593.
• [27] Schellekens J., de Borst R., A nonlinear finite-element approach for the analysis of mode-i free edge delamination in composites, International Journal of Solids and Structures 1993, 30(9), 1239-1253.
• [28] Allix O., Ladeveze P., Corigliano A., Damage analysis of interlaminar fracture specimens, Composite Structures 1995, 31, 61-74.

Uwagi

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