Extended eindige elementenmodellering van progressieve scheurvorming in vezelversterkte composietlaminaten

Het modelleren van schade in composieten is cruciaal voor veel toepassingen. De voornaamste moeilijkheid bij het modelleren zijn de complexe faalmechanismen die intrinsiek zijn aan composietmaterialen, inclusief hun multi-schaal karakter en de interactie van verschillende schadevormen. Vezelversterkte plastics zijn de meest veelbelovende composieten door hun lage dichtheid in combinatie met hoge mechanische eigenschappen. Het voorspellen van scheurpatronen en hun effect op het gedrag is van groot praktisch belang en onderwerp van intensief onderzoek.

Het modelleren van scheuren in laminaten gebeurt hoofdzakelijk gebaseerd op de Continuum Damage Mechanics. Deze methodes zijn adequaat voor het voorspellen van het effect van schade op de effectieve composieteigenschappen, maar voorspellen vaak niet-fysische, verdeelde schadezones in plaats van scheuren zoals die experimenteel worden geobserveerd. Daarnaast bestaan er ook numerieke en analytische modellen voor schade in laminaten, maar deze zijn meestal ontwikkeld voor een vereenvoudigde, vaak tweedimensionaal veronderstelde, geometrie. Een relatief nieuwe methode is de eXtended Finite Element Method (XFEM). Deze laat driedimensionale modellering toe van de initiatie en propagatie van meerdere scheuren, zonder voorafgaande veronderstellingen rond hun locatie. Met XFEM kunnen ook interacties tussen verschillende schademodi worden gesimuleerd, zoals delaminaties en intralaminaire scheuren. The XFEM aanpak van het modelleren van progressieve scheurvorming in gelamineerde composieten werd onderzocht in dit werk. Het model is ontwikkeld met gebruik van commercieel beschikbare ABAQUS tools. De vier onderzochte problemen worden in de volgende paragrafen voorgesteld.

De mogelijkheid van XFEM om matrixscheuren in driedimensionale cross-ply composietlaminaten onder quasi-statische trekbelasting te voorspellen werd onderzocht. De studie focust op het effect van numerieke en fysische parameters. De groei van transversale scheuren en delaminaties is beschreven door cohesieve wetten. Het model vereist verschillende inputparameters, zoals de piekspanning en de kritische scheuruitbreidingsenergie in de cohesieve wetten. Deze inputparameters zijn moeilijk experimenteel te bepalen en hun keuze kan controversieel zijn. Daarom werd de invloed van deze parameters op de scheurontwikkelingsgeschiedenis bestudeerd, en werden problemen besproken. 

Het ontwikkelde model werd dan uitgebreid om de invloed van voids in laminaten op de intralaminaire scheurdichtheid te onderzoeken. De aanpak voor het simuleren van de invloed van intralaminaire voids op het scheuren in cross-ply laminaten werd ontwikkeld. Deze aanpak combineert eindige elementen modellen op twee niveaus: het micro-niveau model, dat de vezels en voids expliciet voorstelt, en het meso-niveau model, gebaseerd op XFEM, dat de scheurontwikkeling in de laminaten voorspelt. Het micro-niveau model levert input voor het meso-niveau model. De analyse toonde aan dat de aanwezigheid van voids leidt tot een vroegere start van scheuren, afhankelijk van de volumefractie, grootte en verdeling van de voids. De ontwikkelde aanpak stelt een manier voor om input parameters uit de micro-niveau modellen te extraheren.

Het model werd gevalideerd en verder uitgebreid om interacties van intra-laag scheuren en delaminaties te voorspellen in laag-per-laag unidirectionele hybride laminaten. Deze laatste vertonen een verschillend faalgedrag onder trekbelasting, dat afhankelijk is van het laminaatontwerp. Het XFEM model werd verbeterd om laagbreuken en delaminatie van het grensvlak tussen lagen te voorspellen. Om het model en XFEM in het bijzonder te valideren, werd het model toegepast op hybride koolstof/glas laminaten. Deze bevatten een laag koolstofvezel/epoxy met een lage breukrek, geplaatst tussen twee lagen glasvezel/epoxy met een hoge breukrek. Vier verschillende dikteconfiguraties van de lagen werden beschouwd. De resultaten kwamen goed overeen met experimentele observaties en metingen, inclusief voorspellingen van de spannings-rek curves en de schadepatronen.

Tenslotte werd het model aangepast om matrixscheuren te voorspellen in laminaten waarin de vezellagen onder een hoek liggen ten opzichte van de trekrichting. Om dat te doen, werd een mogelijke brug naar het volgende hiërarchische niveau van de materiaalstructuur voorgesteld.  Het idee is om de parameters voor het macro schademodel te bekomen door het uitvoeren van meso-niveau simulaties. Complexe en arbeidsintensieve experimenten moeten uitgevoerd worden voor het bekomen van de inputparameters voor een macro-niveau schademodel. Om dit experimentele werk te vervangen door simulaties, werd het XFEM model uitgebreid naar laminaten met lay-ups met hoeken verschillend van 0 en 90 graden. Trialproblemen werden gecreëerd en berekend om de beperkingen van het model te onderzoeken. Door de meer complexe geometrie en belastingstoestanden, en door de beperkingen van ABAQUS, zijn er vele problemen die moeten aangepakt worden bij deze modellering. Mogelijke manieren om deze problemen te overwinnen worden voorgesteld.

De vier problemen in deze thesis werden gebruikt om het XFEM model voor scheurvorming in composietlaminaten te ontwikkelen, uit te breiden en te valideren. Het ontwikkelde model kan succesvol het aantal scheuren in het materiaal voorspellen als functie van de aangelegde belasting, alsook interacties tussen delaminaties en intra-laag scheuren.