Numerical investigation on the behaviour and damage of CFRP composites under different loading conditions

This thesis deals with the study of numerical models capable of describing the behaviour of composite materials, particularly unidirectional laminates, which in the last years have been increasingly used in engineering applications. Recently, attention has shifted to Carbon Fiber Reinforced Plastic CFRP, to which the numerical procedures described in the follow have been applied. Despite the many advantages of composites from the point of view of mechanical properties due to their low density with respect to high strength and stiffness, they have a very critical aspect of the damage phenomenon. In fact, the morphology of the damage and its prediction as well as the evaluation of the residual property of the material are very complex aspects. Damage assessment procedures are not always applicable to components and are often costly as well as experimental testing programs, so numerical models are a promising technique to predict the behaviour of such materials. Starting from a state-of-the-art literature investigation and from studies previously carried out, in the present thesis a model capable of correctly predicting the behaviour and the damage of composite CFRP materials has been developed. The proposed model, developed in ABAQUS\Explicit, involves the use of solid 3D elements to take into account out of the plane contributions, and it is implemented through a VUMAT subroutine. The progressive damage behaviour and deterioration of the material is modelled at the level of the individual laminae with a phenomenological approach by means of stress based failure criteria. Intra-laminar ruptures are evaluated by Hashin's break-down criterion, implemented in the subroutine, while inter-laminar damage is managed through the use of cohesive surfaces and the Benzeggagh-Kenane criterion. From experimental tests carried out in the laboratory, the properties of the material have been calibrated and the model validated in order to evaluate the response of the composites under different loading conditions. Finally this model has been applied on the low velocity impact phenomenon.

Il presente lavoro di tesi riguarda lo studio di modelli numerici in grado di descrivere il comportamento dei materiali compositi, in particolar modo i laminati unidirezionali, che negli ultimi anni hanno trovato sempre maggior impiego nelle applicazioni ingegneristiche. Recentemente l'attenzione si è spostata sui Carbon Fiber Reinforced Plastic CFRP, ovvero compositi laminari in fibra di carbonio, ai quali sono state applicate le procedure numeriche riportate nel seguito. Nonostante i molteplici vantaggi dei compositi da un punto di vista delle proprietà meccaniche, per via della loro bassa densità rispetto alla elevata resistenza e rigidezza, essi hanno un aspetto molto critico rappresentato dai fenomeni di danneggiamento. Infatti la morfologia di danneggiamento e la sua previsione, nonché la valutazione delle proprietà residue del materiale sono aspetti molto complessi. Le procedure di valutazione dei danni non sono sempre applicabili ai componenti e molto spesso risultano onerose, come anche le campagne di prove sperimentali, per cui i modelli numerici rappresentano una tecnica promettente per poter prevedere il comportamento di tali materiali. A partire da un'indagine sullo stato dell'arte disponibile in letteratura e da studi condotti precedentemente, in questa tesi è stato sviluppato un modello in grado di predire correttamente il comportamento e il danneggiamento dei materiali compositi CFRP. Il modello proposto, sviluppato in ABAQUS\Explicit, prevede l'utilizzo di elementi solidi 3D per tenere in considerazione il contributo degli sforzi fuori dal piano ed è implementato attraverso una subroutine VUMAT. Il comportamento e il deterioramento del materiale sono modellati a livello delle singole lamine secondo un approccio fenomenologico basato sui criteri di fallimento. Le rotture intra-laminari sono valutate con il criterio di rottura di Hashin, implementato nella subroutine, mentre il danno inter-laminare è gestito attraverso l'uso di superfici coesive e il criterio Benzeggagh-Kenane. Sulla base delle prove sperimentali effettuate in laboratorio, sono state calibrate le proprietà del materiale e validato il modello, attraverso cui è stato valutato il comportamento dei compositi rispetto a differenti condizioni di carico. Infine tale modello è stato applicato a test di impatto a bassa velocità.