Experimental and computational micromechanics of fibre-reinforced polymer composites at high strain rates

Rueda Ruiz, Mario (2021). Experimental and computational micromechanics of fibre-reinforced polymer composites at high strain rates. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.67638.

Description

Title: Experimental and computational micromechanics of fibre-reinforced polymer composites at high strain rates
Author/s:
  • Rueda Ruiz, Mario
Contributor/s:
  • Molina Aldareguia, Jon Mikel
  • Beake, Benjamin David
Item Type: Thesis (Doctoral)
Read date: 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ciencia de los Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - Non commercial

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Abstract

Los materiales compuestos de matriz polimérica y refuerzo de fibra son en la actualidad el material preferente en aplicaciones que requieren altas prestaciones estructurales y bajo peso. Sin embargo, hay aplicaciones donde los materiales compuestos no han alcanzado todavía todo su potencial, como por ejemplo en componentes sujetos a cargas de impacto, que es una solicitación típica en las industrias aeronáutica y de automoción. Esto se debe al escaso conocimiento que hay sobre su comportamiento dinámico y a la falta de métodos de análisis precisos. En este contexto, este trabajo propone el uso de una estrategia de simulación multiescala basada en micromecánica computacional para estudiar el efecto que la velocidad de deformación tiene en la iniciación del daño en una lámina de material compuesto. Los ensayos virtuales basados en modelado multiescala abajo-arriba tienen como objetivo la reducción del coste de las campañas de certificación a través de simulaciones de alta fidelidad que complementan los experimentos en todos los niveles de la pirámide de ensayos (LLorca et al., 2011). Este trabajo es una extensión del estado del arte de este tipo de estrategias de simulación (Canal Casado, 2011; Rodríguez, 2012; Naya Montáns, 2017; Herráez Matesanz, 2018) hacia el rango de las altas velocidades de deformación. Una de las singularidades de la estrategia de simulación multiescala propuesta es el uso de ensayos micromecánicos para la caracterización in situ de la matriz y la intercara, que se realizan mediante nanoindentación instrumentada (Herráez et al., 2017). Por ello, el primer paso en este trabajo ha consistido en el desarrollo de una nueva técnica de ensayo micromecánica para extraer las propiedades de los constituyentes del material compuesto en un rango amplio de velocidades de deformación. Se ha modificado un nanoindentador comercial con la capacidad de realizar ensayos de impacto en la nano-/micro-escala para añadir la capacidad de medir la fuerza durante el ensayo. Esto ha posibilitado la determinación de curvas de fuerzadesplazamiento, que es el resultado principal de un ensayo de nanoindentación, en un amplio rango de velocidades de indentación. En paralelo, se propone un análisis inverso basado en el método de elementos finitos para transformar la respuesta directa del ensayo combinado de nanoindentación y nanoimpacto en parámetros de material necesarios para la calibración del modelo constitutivo de la matriz. El análisis inverso se ha validado en materiales convencionales (cobre y PMMA) para los que existe un conocimiento amplio sobre el comportamiento mecánico a altas velocidades de deformación. Las predicciones del análisis se corresponden adecuadamente con los resultados esperados. Sin embargo, se encontró que las predicciones en el caso de las matrices de los dos materiales compuestos estudiados (IM7-8552 e IM7-M91) se desvían significativamente de los resultados macroscópicos. Por ello, se ha propuesto una técnica adicional para la caracterización de la matriz, el ensayo de compresión de micropilares. Estos ensayos han proporcionado valores precisos del esfuerzo de fluencia en compresión en un rango amplio de velocidades de deformación (10-3-102 s-1) que están de acuerdo con los resultados obtenidos en la macroescala. Adicionalmente, se ha comprobado que la nueva configuración experimental permite la realización de ensayos de push-in de la intercara fibra-matriz a velocidades de impacto, si bien se ha constatado que es necesario mejorar el sistema de adquisición de datos para obtener resultados libres de ruido experimental. Los resultados de los ensayos micromecánicos, complementados con ensayos en la macroescala y valores de literatura, se han usado para calibrar los modelos de material de una herramienta de simulación basada en micromecánica computacional que emplea un volumen representativo para representar la lámina del material compuesto. La curva de esfuerzo-deformación simulada de la lámina se ha obtenido para dos modos de deformación dominados por la matriz, compresión transversal y cortadura plana, en un rango amplio de velocidades de deformación y se ha comparado con resultados de ensayos en la macroescala. Las predicciones de las simulaciones están de acuerdo con los experimentos. Además, la comparación ha revelado un cambio en el mecanismo de fallo con la velocidad de deformación. A bajas velocidades, el inicio del daño está controlado por el efecto combinado del fallo de la intercara fibra-matriz y la deformación plástica de la resina. A altas velocidades, la deformación plástica de la resina es la principal causa de iniciación del daño. ----------ABSTRACT---------- Fibre-reinforced polymer composites are nowadays the material of choice in applications requiring high structural performance and low weight. However, there are still areas where composite materials have not reached their full potential, such as in components subjected to impacts and high speed events, which are often seen in the aerospace and automotive industry. This is mostly due to the insufficient knowledge about their dynamic behaviour and the lack of accurate analysis methodologies. In view of this, this work proposes the use of a physically-based multiscale simulation strategy based on computational micromechanics to study the effect that the strain rate has on the initiation of failure within the composite ply. Virtual testing based on bottom-up multiscale modelling aims at reducing the cost of certification test campaigns by providing high-fidelity simulations that can complement the experiments at all levels of the test pyramid (LLorca et al., 2011). This work represents an extension of this state of the art simulation strategy (Canal Casado, 2011; Rodr´ıguez, 2012; Naya Montáns, 2017; Herráez Matesanz, 2018) to the high strain rate regime. One of the singularities of the proposed multiscale simulation strategy is the use of micromechanical testing for the in situ mechanical characterization of the matrix and the fibre-matrix interface, which is carried out by instrumented nanoindentation (Herráez et al., 2017). To this end, the first step of this work involved the development of a novel micromechanical testing methodology to extract properties of the composite constituents over a wide range of strain rates. A commercially available nanoindenter with the in-built capability of performing impact tests at the nano-/microscale was modified to add force sensing capability. This enabled the determination of a force-displacement curve, which is the essential output of nanoindentation. In parallel, a FEM-based inverse analysis methodology was devised to transform the direct outputs of the combined nanoindentation and nano-impact tests into material parameters needed to calibrate the rate dependent constitutive model of the matrix. The inverse analysis was validated against materials (Cu and PMMA) with well known rate dependent mechanical behaviour. The predictions of the analysis correlated well with the literature results. However, the predictions for the matrix material of the two composite systems under study (IM7-8552 and IM7-M91) deviated significantly from test results at the macroscale. As a result, an additional technique for matrix characterization, the micropillar compression test, was proposed. The microscale tests provided accurate values of the compression flow stress over a wide range of strain rates (10-3-102 s-1) that were in good agreement with the results obtained at the macroscale. In addition, it was confirmed that the new experimental setup allows for the implementation of push-in tests for the characterization of the fibre-matrix interface at impact conditions. However, the acquisition system of the setup must be improved to obtain results free of experimental noise. The inputs from micromechanical testing, complemented by macroscale testing and literature values, were used to calibrate the material models of a simulation tool based on computational micromechanics that uses the representative volume element (RVE) approach to represent the composite ply. The stress-strain response at the ply level was simulated for two matrix-dominated deformation modes, transverse compression and in-plane shear, over a wide range of strain rates and compared with macroscale test results. The numerical predictions were in good agreement with the experiments. Furthermore, the comparison revealed a change in failure mechanism with strain rate. At low strain rates, failure initiated due to the combined effect of fibre-matrix debonding and matrix plasticity. At high strain rates, failure initiation was caused primarily by matrix plasticity.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Horizon 2020722096DYNACOMPFUNDACION IMDEA MATERIALESDynamic behaviour of composite materials for next generation aeroengines

More information

Item ID: 67638
DC Identifier: https://oa.upm.es/67638/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:67638
DOI: 10.20868/UPM.thesis.67638
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 30 Aug 2021 05:22
Last Modified: 13 Sep 2021 08:07
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