Development and validation of numerical modeling approaches for triaxially braided composites

García Carpintero, Alejandro Cecilio (2019). Development and validation of numerical modeling approaches for triaxially braided composites. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.56641.

Description

Title: Development and validation of numerical modeling approaches for triaxially braided composites
Author/s:
  • García Carpintero, Alejandro Cecilio
Contributor/s:
  • González Martínez, Carlos Daniel
  • Faria Lopes, Cláudio Saúl
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
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 los últimos años, el uso creciente de materiales compuestos ha adquirido un gran papel, no solo industrial, sino también en campos como la construcción, el transporte o la industria militar, lo que plantea la necesidad de un proceso de fabricación automatizado, rentable y de calidad. El proceso de trenzado de materiales compuestos permite la producción automatizada de una variedad de preformas debido a habilidad inherente para adaptarse a formas complejas, junto con un bajo desperdicio de material y un buen conjunto de propiedades mecánicas. Los tejidos trenzados triaxiales bidimensionales se destacan como arquitecturas de refuerzo muy prometedoras para materiales compuestos con una rigidez y resistencia cuasi-isotrópicas mejoradas, así como resistencia a la propagación de grietas bajo fatiga y cargas dinámicas. Sin embargo, la arquitectura del tejido controla el comportamiento del material, lo que resulta en una variación de las propiedades mecánicas en una estructura compuesta compleja. Hoy en día, no se dispone de una metodología numérica establecida para el estudio del comportamiento mecánico de los compuestos trenzados triaxiales. Por lo tanto, el objetivo principal de esta tesis es crear un marco de modelado multiescala para la predicción y análisis de materiales compuestos triaxiales. Esto requiere un enfoque eficiente de modelado de celdas unitarias y métodos macroscópicos para predecir y analizar las propiedades mecánicas de grandes componentes. Además, se ha llevado a cabo un trabajo adicional en el modelado de la arquitectura del tejido y en su caracterización mecánica, necesarios para determinación de los datos de entrada del modelo y su validación, respectivamente. Los parámetros de la arquitectura de haces para los tejidos compuestos trenzados triaxiales de ±60°grados se determinaron usando robustas técnicas de observación como microscopía óptica y análisis superficial de imágenes. Los experimentos mecánicos en el plano demostraron que el comportamiento mecánico era esencialmente no lineal. La deformación inelástica y el daño se identificaron como los mecanismos subyacentes, atribuidos a la rotura microscópica en la interfaz fibra / matriz. Los principales modos de fallo observados estaban dominados por la rotura de los mazos de fibra y el agrietamiento de la matriz, siendo la rotura controlada por los mazos orientados a ±60°grados. Una metodología innovadora, genérica, computacionalmente eficiente y paramétrica de elementos finitos basada en el modelado de celdas unitarias, utilizando elementos placa, fue desarrollada y aplicada para predecir el comportamiento mecánico de los compuestos trenzados triaxiales. Se obtuvo una buena correlación entre las distribuciones de tensiones experimentales y las obtenidas mediante los modelos continuos de celdas unitarias. Una metodología de modelado macroscópico ha sido desarrollada para simular la resistencia en el plano, las propiedades de fractura y para estudiar los efectos del tamaño del agujero en la resistencia a la tracción de materiales compuestos trenzados triaxiales. Los parámetros de entrada del modelo macroscópico se calcularon a partir de los resultados de las celdas unitarias. Los análisis macroscópicos demostraron que es crucial para la predicción de fallos usar un modelo laminado equivalente que proporcione los esfuerzos en las direcciones del haz. Las predicciones, empleando un modelo de daño continuo basado en el criterio de fallo 2D de Hashin combinado con un modelo de daño continuo basado en la disipación independiente de las energías de fractura asociadas con los mecanismos principales de daño, estuvieron en buena correlación con los experimentos. En los anexos se presenta un intento de validar el modelo usándolo para la simulación de la caracterización del impacto a baja velocidad. Los resultados y el por qué las energías de fractura usadas asociadas con los fallos de la matriz y la fibra a tracción obtenidas en la caracterización virtual representan incorrectamente los mecanismos de disipación de energía, son discutidos. Se concluye con que la metodología de modelización propuesta puede considerarse validada mediante la realización de ensayos experimentales, lo que demuestra un método rápido y válido para la predicción de propiedades mecánicas que podría aplicarse a otras arquitecturas de fibra. Los trabajos futuros y posibles técnicas de optimización son discutidos. ----------ABSTRACT---------- In recent years, the growing use of composite materials has acquired a great role, not only industrial, but also in fields such as construction, transportation or military industry, raising the necessity of an automated, cost-efficient and quality manufacturing process. The process of braiding composites allows automated production of variety of preforms due to its inherent drapability to adapt to complex shapes, in combination with a low material waste and good set of mechanical properties. Two-dimensional triaxial braided stand out as very promising reinforcement architectures for composite materials with improved quasi-isotropic stiffness and strength, as well as resistance to crack propagation under fatigue and dynamic loads. Nevertheless, the textile yarn architecture controls the material behaviour, resulting in a variation of the mechanical properties on a complex composite structure. Nowadays, no established numerical methodology is available for the study of the mechanical behaviour of triaxial braided composites. Thus, the main goal of this thesis is to create a multi-scale modelling framework for the prediction and analysis of triaxial braided composites. This requires an efficient unit cell modelling approach and macroscopic methods to predict and analyse the mechanical properties of large components. Furthermore, additional work has been carried out on the modelling of yarn architecture, and on mechanical characterisation and tests required for model input and validation, respectively. The yarn architecture parameters for ±60•triaxial braided composites were robustly measured using optical microscopy and image analysis of surface scans. Inplane mechanical experiments showed that the mechanical behaviour was essentially nonlinear. Inelastic deformation and damage were identified as the underlying mechanisms, attributed to microscopic cracking at the fibre/matrix interface. The failure modes observed were dominated by yarn failure and matrix cracking, with the stress on the bias yarns controlling the latter mechanism. An innovative, generic, computationally efficient and parametric numerical finite element methodology based on unit cell modelling approach, using shell elements, was developed and applied to predict the mechanical behaviour of triaxially-braided composites. The stress fields obtained correlated well with classical continuum unit cell results. A macroscopic modelling approach was developed to simulate in-plane strength, fracture behaviour and to study size effects on the tensile strength triaxially-braided composites with notches. The input parameters of the macroscopic modelling were calculated from the unit cell results. The macroscopic analyses showed that it is crucial for the failure prediction to use an equivalent laminate model providing the stresses in the yarn directions. The predictions, employing a continuum damage model based on Hashin’s 2D failure criterion combined with a CDM based on the independent dissipation of fracture energies associated with the major damage mechanisms, were in acceptable correlation with the experiments. An attempt to validate the model on the basis of simulation of low-velocity impact characterisation is described in an annex to the thesis. Results are presented as well as discussions as to why the used fracture energies associated with tensile fibre and matrix failure obtained in the virtual characterisation are incorrectly representing the energy dissipation mechanisms. It is concluded that the proposed modelling approach can be considered validated through experimental tests, demonstrating a valid and fast approach for the prediction of the behaviour of triaxially-braided composites which could be extrapolated, with necessary adaptations, to other fibre architectures. Future works and possible optimisation techniques are discussed.

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Item ID: 56641
DC Identifier: http://oa.upm.es/56641/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:56641
DOI: 10.20868/UPM.thesis.56641
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 11 Nov 2019 06:28
Last Modified: 11 May 2020 22:30
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