Computational Micromechanics Models for Damage and Fracture of Fiber-Reinforced Polymers

Herráez Matesanz, Miguel (2018). Computational Micromechanics Models for Damage and Fracture of Fiber-Reinforced Polymers. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.51735.

Description

Title: Computational Micromechanics Models for Damage and Fracture of Fiber-Reinforced Polymers
Author/s:
  • Herráez Matesanz, Miguel
Contributor/s:
  • González Martínez, Carlos Daniel
  • Faria Lopes, Cláudio Saúl
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ciencia de los Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

En la actualidad, el empleo de materiales compuestos poliméricos reforzados con fibras (FRP) se ha intensificado en aplicaciones que requieren materiales con altas propiedades específicas. Numerosos modelos constitutivos fenomenológicos y con base física han sido propuestos en la literatura para predecir la respuesta mecánica de láminas unidireccionales de estos materiales. No obstante, los parámetros requeridos por dichos modelos hace necesaria la ejecución de extensas y costosas campañas experimentales. Es por esto que los ensayos virtuales de materiales compuestos aparecen como una prometedora alternativa para reducir los programas experimentales dedicadas a la caracterización mecánica de estos materiales. Además, dado que el fallo de los FRPs está controlado por fenómenos que tienen su origen a escala microscópica, es fundamental adoptar una estrategia basada en la multiescala, capaz de capturarlos mediante modelos micromecánicos. Cabe destacar que esta tesis forma parte de la estrategia multiescala desarrollada por el Grupo de Materiales Compuestos del Instituto IMDEA Materiales durante los últimos años. En esta tesis, se amplia la capacidad de la micromecánica computacional (CMM) para establecer predicciones virtuales de varios procesos de fractura en compuestos unidireccionales reforzados con fibras con respecto al estado del arte. Para ello, las propiedades mecánicas de los constituyentes del material compuesto son determinadas mediante micromecánica experimental. A este respecto, se han desarrollado dos nuevas técnicas experimentales para la caracterización longitudinal de las fibras. La primera consiste en ensayos de tracción en fibras individuales con una entalla para medir su tenacidad de fractura; mientras que la segunda técnica se basa en la compresión de micropilares tallados en la sección transversal de fibras con los que obtener su resistencia a compresión. Se ha evaluado el efecto de la sección transversal de la fibra sobre la resistencia transversal de una lámina unidireccional mediante CMM, haciendo uso de elementos representativos de volumen (RVE) con condiciones de contorno periódicas (PBC). El despegue de la intercara fibra/matriz se representa a través de un modelo de zona cohesiva (CZM) con una ley de tracción-separación, mientras que un modelo elasto-plástico, dependiente de la presión hidrostática, que incluye daño por tracción y compresión se emplea para capturar el comportamiento no lineal de la matriz. El comportamiento mecánico de ambos constituyentes se calibra utilizando las propiedades obtenidas por medio de los ensayos micromecánicos mencionados anteriormente. Aprovechando la estrategia CMM, se ha analizado el fenómeno de “kinking” de las fibras que tiene lugar cuando una lámina unidireccional es sometida a cargas de compresión en la dirección de las fibras. Un RVE de un apilamiento de láminas a ±45° y un modelo 3-D de una sola fibra se han empleado conjuntamente para estimar la resistencia a compresión de una lámina unidireccional y compararla con las predicciones de la teoría de kinking de fibras (FKT). Adicionalmente, los resultados en régimen de post-fallo del modelo CMM han sido comparados con las predicciones de un modelo de daño continuo (CDM) desarrollado por Bergan and Leone (2016) (NASA Langley Research Center) para modelos de mesomecánica computacional. Cabe destacar que el modelo CMM se ha empleado para predecir los parámetros de entrada requeridos por el modelo CDM. En esta tesis, las capacidades de la micromecánica computacional se han ampliado desde la predicción de las propiedades elásticas y resistencias hasta la simulación de procesos de fractura en materiales compuestos. Para caracterizar la tenacidad de microestructuras heterogéneas, se ha desarrollado una estrategia original para el estudio de procesos de fractura en materiales quasi-frágiles. Este método se basa en el campo de desaplazamientos alrededor de la punta de una grieta proporcionado por la mecánica de fractura elástica lineal (LEFM) en modo I. Esta técnica se aplica al análisis virtual de la propagación de una grieta intralaminar sometida a tracción mediante un modelo 2-D de celda embebida. El proceso de fractura es capturado con gran precisión, no sólo por la energía de fractura intralaminar, sino por la forma característica de la curva de crecimiento de grieta (curva-i?). A continuación, la respuesta a fractura de la microestructura es homogeneizada mediante una ley de ablandamiento equivalente, que puede ser empleada en modelos constitutivos en escalas superiores (mesomecánica computacional). Todas las microestructuras han sido obtenidas a partir de una metodolog´ıa nueva y muy vers´atil que ha sido incluida en una interfaz de usuario desarrollada por el autor llamada Viper, acelerando la fase de pre-proceso en ´este y futuros trabajos. ----------ABSTRACT---------- Nowadays, fiber-reinforced polymers (FRP) are extensively used in applications where outstanding specific mechanical properties are required. Some phenomenological and physically-based failure models have been proposed in the literature to predict the mechanical performance of classical unidirectional composite plies. Unfortunately, their input parameters need to be obtained by means of costly and time-consuming experimental campaigns. For this reason, virtual testing of composite materials stands out as a promising strategy to reduce the experimental programs devoted to the characterization of these materials. Nevertheless, as failure of FRP is controlled by phenomena that take place at the microscale, there is a need to adopt a multiscale scheme which captures them by means of micromechanical models. It must be highlighted that this thesis is embedded within the bottom-up multiscale approach developed by the Composite Materials Group of IMDEA Materials during the last years. In this thesis, the potential of computational micromechanics (CMM) to make virtual predictions of some fracture processes in unidirectional fiber reinforced composites is extended with respect to the state of the art. To this end, the mechanical properties of the material constituents are determined through experimental micromechanics. In this regard, two novel experimental techniques devoted to the longitudinal characterization of the reinforcement fibers were developed. The first one consists of tensile testing single filaments of notched fibers to measure their fracture toughness; whereas, the second technique is based on the compression of micropillars milled within the cross section of individual fibers to obtain its compressive strength. The effect of the fiber cross section on the transverse strength of a unidirectional ply was studied by means of CMM, making use of representative volume elements (RVE) under periodic boundary conditions. The fiber/matrix interface debonding is represented by means of a cohesive zone model (CZM) with a traction-separation law, whereas a pressure dependent, elasto-plastic model that includes tensile and compressive damage is employed to capture the matrix nonlinear behavior. The mechanical response of both constituents is calibrated using the properties obtained by the micromechanical tests mentioned previously. Taking advantage of the CMM strategy, the fiber kinking phenomenon that takes place when a unidirectional ply is loaded under longitudinal compression was analyzed beyond the state of the art. An RVE of a ±45• stacking of plies and a single-fiber 3-D model are combined to give an estimate of the compressive strength and compared to the fiber kinking theory (FKT) predictions. In addition, the results of the post-peak response of the CMM model are compared to the predictions of a continuum damage model (CDM) developed by Bergan and Leone (2016) (NASA Langley Research Center) for computational mesomechanics modeling. More importantly, the CMM model is used to predict the input parameters for the CDM model. In this thesis, the capabilities of computational micromechanics are extended from the prediction of elastic and strength properties to the simulation of fracture processes in composite materials. To characterize the toughness properties of composite microstructures, an original scheme to study fracture processes in quasi-brittle materials was developed. This approach is based on the linear elastic fracture mechanics (LEFM) solution of the displacement field around a crack tip under mode I loading. The methodology is applied to the virtual analysis of the intralaminar crack propagation under tension by means of a 2-D embedded cell model. The fracture process is accurately characterized, not only by the intralaminar fracture energy, but also the shape of the crack resistance curve (R-curve). Afterwards, the fracture response of the microstructure is homogenized into an equivalent softening law, that may be used in higher scale constitutive models (computational mesomechanics). All the microstructures employed in this thesis were obtained numerically from a novel and versatile algorithm. This was embedded in an in-house developed userinterface called Viper, thus, speeding up the pre-processing stage and making it available for other users.

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Item ID: 51735
DC Identifier: http://oa.upm.es/51735/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:51735
DOI: 10.20868/UPM.thesis.51735
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 17 Sep 2018 06:59
Last Modified: 19 Mar 2019 23:30
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