Assessing the hazard of delamination propagation in composites using numerical analysis

• Autorzy: Wilk, J.

Warianty tytułu

PL

Ocena niebezpieczeństwa rozwoju delaminacji w kompozytach z wykorzystaniem analizy numerycznej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents a procedure based on numerical analyzes allowing a quick risk assessment of delamination propagation in composite structures during routine inspections. The principle of the procedure is the comparison of size and location of the defect found during maintenance checks with a set of data obtained from series of numerical analyzes in order to determine the potential for growth of the delamination. The decision then can be made regarding the inspected component - whether it can be still used or should be replaced. The data for comparison contains sets of delamination sizes corresponding to critical embedded delamination diameters derived from linear buckling analysis and nonlinear analysis of postbuckling behavior including delamination propagation. The paper shows an example of such a procedure for a structure made of carbon-epoxy laminate. A series of numerical models was created covering all the possible locations of delaminations throughout the laminate thickness. Linear buckling analysis and nonlinear analysis of postbuckling behavior were conducted using the MSC.MARC finite element commercial code. The analysis of delamination propagation is also included based on the Virtual Crack Closure Technique. The critical delamination diameters were determined for each delamination location and the bases for comparison were created.

PL

Praca przedstawia schemat postępowania, wykorzystujący analizy numeryczne, który pozwala na szybką ocenę ryzyka propagacji delaminacji w elementach kompozytowych. Z powodu warstwowej struktury oraz różnych kierunków ułożenia zbrojenia laminaty wykazują niską odporność na pękanie międzywarstwowe i powstawanie delaminacji. Wewnętrzne rozwarstwienia, powstałe zwykle na skutek błędów w procesie produkcji lub niskoenergetycznego uderzenia, mogą propagować po lokalnym wyboczeniu, znacząco wpływając na nośność struktury. Procedura zaprezentowana w niniejszym artykule pokazuje proces tworzenia bazy porównawczej, która może być wykorzystywana podczas rutynowych kontroli stanu elementów kompozytowych. Pomaga ona w szybkiej ocenie zagrożenia rozwojem delaminacji i podjęciu decyzji odnośnie do dalszego postępowania z danym elementem. Podstawą opisanego narzędzia są analizy numeryczne metodą elementów skończonych, mające określić zależność stopnia zagrożenia rozwojem delaminacji od rozmiaru defektu oraz jego położenia w strukturze warstwowej. Zaproponowano trzy kryteria oceny ryzyka związane z trzema rodzajami przeprowadzanych analiz numerycznych i pozwalające otrzymać trzy zestawy krytycznych rozmiarów delaminacji. Osiągnięcie przez rozwarstwienie kolejnych wartości krytycznych powinno skutkować zmianą zaleceń eksploatacyjnych, np. zwiększeniem częstotliwości kontroli. W dalszej części pracy zawarto przykład zastosowania opracowanej procedury dla struktury kompozytowej. Przedmiotem analizy był fragment powłoki wykonanej z kompozytu węglowo-epoksydowego o orientacji warstw zbrojenia [0°/90°/0°/90°/0°/0°/45°/-45°/-45°/45°]S, zapewniającej układ symetryczny i zrównoważony, z centralnie zlokalizowaną delaminacją kołową. Rozważano 10 przypadków, obejmujących wszystkie możliwe położenia delaminacji między warstwami laminatu. Do zrealizowania analiz numerycznych metodą elementów skończonych wykorzystano oprogramowanie MSC.MARC. Przeprowadzono liniową analizę wyboczenia dla szeregu średnic delaminacji stopniowanych co 1 mm w celu wyznaczenia krytycznego rozmiaru rozwarstwienia, dla którego nastąpi lokalne wyboczenie przy określonym poziomie odkształceń ściskających. Kolejnym krokiem było przeprowadzenie nieliniowej analizy stanu po wyboczeniu w celu wyznaczenia krytycznej wielkości delaminacji, przy której nastąpi jej propagacja. Do określenia potencjału rozwoju delaminacji wykorzystano algorytm metody VCCT, dostępny w MSC.MARC. Ostatnim etapem było przeprowadzenie szeregu nieliniowych analiz propagacji delaminacji w celu wyznaczenia charakteru i wielkości rozwoju rozwarstwienia. Niewielki i stabilny rozwój delaminacji nie musi dyskwalifikować elementu kompozytowego pod warunkiem monitorowania jego stanu. Przeprowadzone analizy numeryczne pozwoliły na stworzenie trzech zestawów średnic krytycznych, które mogą stanowić bazę porównawczą przy rutynowych kontrolach struktury kompozytowej. Przy stwierdzeniu wady w postaci rozwarstwienia przekraczającego krytyczny rozmiar należy wprowadzić odpowiednie zmiany do zaleceń eksploatacyjnych. W przypadku delaminacji o średnicy grożącej niestabilną propagacją po wyboczeniu element kompozytowy powinien być wymieniony lub naprawiony przed dalszym użytkowaniem.

Słowa kluczowe

PL

delaminacja; wyboczenie; MES; propagacja delaminacji; VCCT

EN

delamination; buckling; FEM; delamination propagation; VCCT

• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 15, nr 1
• Strony: 34--38
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wilk, J.

• Institute of Aviation, al. Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw, Poland ,

Bibliografia

• [1] Chai H., Babcock C.D., Knauss W., One dimensional modelling of failure in laminated plates by delamination buckling, International Journal Solids Structures 1981, 17(11), 1069-1083.
• [2] Kachanov L.M., Delamination Buckling of Composite Materials, Kluwer Academic Publishers, 1988.
• [3] Suemasu H., Effects of multiple delaminations on compressive buckling behaviors of composite panels, Journal of Composite Materials 1993, 27 12, 1172-1192.
• [4] Chai H., Three-dimensional fracture analysis of thin-film debonding, International Journal of Fracture 1990, 46, 237-256.
• [5] Jane K.C., Yin W-L., Refined buckling and postbuckling analysis of two-dimensional delaminations - analysis and validation, International Journal of Solids and Structures 1992, 29(5), 591-610.
• [6] Yin W-L., Jane K.C., Refined buckling and postbuckling analysis of two-dimensional delaminations - Results for anisotropic laminates and conclusion, International Journal of Solids and Structures 1992, 29(5), 611-639.
• [7] Kim H.-J., Hong C.-S., Buckling and postbuckling behavior of composite laminates with a delamination, Composites Science and Technology 1997, 57, 557-564.
• [8] Arman Y., Zor M., Aksoy S., Determination of critical delamination diameter of laminated composite plates under buckling loads, Composites Science and Technology 2006, 66, 2945-2953.
• [9] Whitcomb J.D., Mechanics of instability related delamination growth, Composite Materials, Testing and Design, ASTM STP 1990, 1059, 215-230.
• [10] Whitcomb J.D., Analysis of a laminate with a postbuckled embedded delamination, including contact effects, Journal of Composite Materials 1992, 26(10), 1523-1535.
• [11] Riccio A., Scaramuzzino F., Perugini P., Embedded delamination growth in composite panels under compressive load, Composites Part B 2001, 32, 209-218.
• [12] Krueger R., The Virtual Crack Closure Technique: History, Approach and Applications, NASA/CR-2002_211628 ICASE Report No.2002-10, April 2002.
• [13] Turon A. et al., Accurate simulation of delamination growth under mixed-mode loading using cohesive elements: Definition of interlaminar strength and elastic stiffness, Composite Structures 2010, 92, 1857-1864.
• [14] Liu P.F et al., Finite element analysis of postbuckling and delamination of composite laminates using virtual crack closure technique, Composite Structures 2001, 93, 1549-1560.
• [15] Orifici A.C., Krueger R., Benchmark assessment of automated delamination propagation capabilities in finite element codes for static loading, Finite Element Analysis and Design 2012, 34, 28-36.
• [16] Pitropaoli E., Riccio A., On the robustness of finite element procedures based on Virtual Crack Closure Technique and fail release approach for delamination phenomena. Definition and assessment of novel methodology, Composite Science and Technology 2010, 70, 1288-1300.
• [17] Pitropaoli E., Riccio A., Formulation and assessment of an enhanced finite element procedure for the analysis of delamination growth phenomena in composite structures, Composite Science and Technology 2011, 71, 836-846.
• [18] Aoki Y., Kondo H., Hatta H., Effect of delamination propagation on mechanical behaviour in compression after impact, 16th International Conference on Composite Materials, Kyoto 8-13 July 2007, Japan
• [19] Suemasu H., Sakai W., Ishikawa T., Aoki Y., A numerical study on compressive behavior of composite plates with multiple circular delaminations considering delamination propagation, Composite Science and Technology 2008, 68, 2562-2567.
• [20] Reeder J.R., An evaluation of mixed-mode delamination failure criteria, NASA TM 104210, 1992.