Numerical investigation of progressive damage in carbon fiber laminated composites

Composite materials are extremely desirable for advanced mechanical applica- tions, due their high strength and stiffness. On the other hand, composites exhibit a complex mechanical behavior, especially when failure is concerned, which is in- fluenced by the presence of different phases constituting the material. Predicting behavior and failure of such materials is of great interest from an industrial point of view. Experiments are, at present, the main sources of data but due to the extended range of composite materials, a great amount of tests is often required to character- ize the behavior of a component. For this reason, numerical models are increasingly developed in many researches and design activities. Phenomenological approaches based on failure criteria require relatively few data, while allowing a rather high speed of computation, which makes these models very attractive. Therefore, the present thesis is aimed to apply such methods to investigate the behavior of carbon fiber laminated composites and their progressive damage. Experimental tests have been carried out following standards guideline and replicated by means of very refined numerical analyses. The results and comparison are critically reviewed. Tensile and open-hole tensile tests on unidirectional, biaxial and balanced laminates were mod- eled with different techniques based on continuum shell elements. Single continuum shell model and perfect bonding model were capable of predicting progressive failure in each ply. By introducing cohesive surface interactions and cohesive elements it was possible to reproduce the interlaminar damage, but at the cost of a relevant increment of calculation time. More specifically, the experimental load-displacement curves were successfully replicated by numerical models both in terms of stiffness and ultimate load. By considering the cohesive behavior, also delaminations were well captured. The validation of the numerical models with tensile and open-hole tensile tests, with different layups, demonstrated the reliability of the approach. As consequence, it is reasonable to exploit the model also for more complicated scenarios such as low velocity impact.

I materiali compositi trovano sempre maggiore impiego in applicazioni avanzate, dove leggerezza ed elevate caratteristiche meccaniche sono requisiti fondamentali. Tuttavia, i materiali compositi presentano un comportamento meccanico estrema- mente complesso, che deriva dalla presenza delle diverse fasi che lo compongono. La predizione di tale comportamento è di estremo interesse da un punto di vista industriale e progettuale. Numerose ricerche sono state rivolte alla messa a punto di modelli numerici capaci di riprodurre il comportamento meccanico di tali materiali. Gli approcci numerici, grazie alla loro flessibilità ed affidabilità, rappresentano una valida alternativa a lunghe e costose campagne sperimentali. In particolare, i metodi fenomenologici, basati su criteri di danneggiamento, si dimostrano vantaggiosi, in quanto, diversamente dai modelli micromeccanici, richiedono un minor numero di dati e permettono velocità di calcolo piuttosto elevate. Il presente lavoro di tesi è fi- nalizzato allo studio del comportamento meccanico e del danneggiamento progressivo di laminati in fibra di carbonio attraverso tali metodi. Sono state simulate prove di trazione, effettuate secondo le normative internazionali, attraverso differenti modelli numerici. Due modelli, costituiti rispettivamente da una singola shell e da diverse shell in perfetta adesione tra di loro, hanno permesso la riproduzione del comporta- mento a trazione e del danneggiamento progressivo di ogni lamina. Successivamente la definizione del comportamento coesivo delle interfacce tra le lamine ha permesso lo studio della frattura interlaminare del materiale. Il comportamento coesivo è stato simulato mediante due modelli, uno in cui è stata definita un’interazione coesiva tra i nodi delle superfici in contatto, l’altro in cui le superfici di frattura sono state rap- presentate da sottili strati di elementi coesivi. La simulazione della delaminazione, tuttavia, ha comportato un significativo incremento del tempo di calcolo. Nello speci- fico, sono state simulate le prove di trazione di provini sia semplici che forati estratti da laminati unidirezionali, biassiali e bilanciati. Le curve di carico-spostamento rica- vate dalle prove sperimentali sono state simulate fedelmente sia in termini di carico di rottura che di rigidezza. Le delaminazioni sono state riprodotte con successo me- diante l’interazione coesiva. I modelli proposti sono quindi stati validati e possono essere utilizzati per predire la risposta del composito in casi più complessi. Tale lavoro infatti si inquadra in un contesto di ricerca più ampio e i modelli qui validati verranno successivamente utilizzati per simulare prove di impatto a bassa velocità.