Fatigue simulation for damage propagation in composite structures

Fatigue life of post-buckled composite stiffened panels is a complex issue which remains difficult to predict due to the interaction of several damage modes and geometric nonlinearity. The ability to assess fatigue mechanisms that bring the structure to collapse is crucial for a safe and rational design of composite structures. To assess delamination propagation in composite structures, new fatigue procedures in Abaqus 2017 are investigated through the response of double cantilever beam (DCB) and mixed-mode bending (MMB) tests prior to examine more complex post-buckled structures. Static response of DCB and MMB is at first evaluated using the Virtual Crack Closure Technique and compared with analytical models. Then three fatigue built-in capabilities in Abaqus 2017 are compared studying mode I delamination and major effort is put to assess the newly Simplified Fatigue (SF) capabilities. Different mode-mixtures are investigated evaluating the MMB fatigue behaviour with the new SF. Finally, the single-stringer compression specimen (SSCS) is tested under static and fatigue loading. Good agreement is found between the shapes of the predicted and experimental delamination fronts in static analysis, but delamination fronts from fatigue are characterized by sharp edges. Additional modelling features such as gradual nodal release may be required to predict residual life of composite structures with confidence. The SF appears to be the most efficient of the three methods and has the further advantage to account for geometric nonlinearity and change in contact condition. Fatigue response of MMB was correctly predicted by the SF for 20% and 50% but convergence was difficult to achieve for high mode II participation. The onset law implemented within fatigue procedure was analysed and it was found to affect crack propagation governed by the Paris Law. Hence the onset algorithm was deactivated and only stable propagation computed. The SF was accurate to predict nonlinear response of the SSCS in the post-buckling field as well as damage initiation. However further investigation is needed to improve algorithm convergence to study the collapse of the specimen under cyclic loading. This thesis work has been carried out at Delft University of Technology (TU Delft).

La vita a fatica dei pannelli irrigiditi in materiale composito in post-buckling è un fenomeno complesso da predire a causa dei diversi meccanismi di danneggiamento e delle nonlinearità che intervengono nella risposta del pannello. La capacità di predire i meccanismi di danneggiamento a fatica che portano al collasso della struttura è fondamentale per la corretta progettazione delle strutture in composito. Le nuove procedure per l’analisi a fatica di Abaqus 2017 vengono analizzate studiando la risposta di semplici provini usati per la caratterizzazione del materiale, quali la double cantilever beam (DCB) per la delaminazione in modo I e il mixed-mode bending test (MMB) per il modo misto. Una volta verificato il nuovo metodo su questi modelli standard, il comportamento di strutture più complesse instabilizzate in regime di post-buckling viene investigato. E’ inizialmente analizzata la risposta statica della DCB e del MMB attraverso l’uso della Virtual Crack Closure Technique (VCCT) e la soluzione numerica confrontata con modelli teorici trovati in letteratura e implementati in Matlab. L’analisi a fatica viene poi svolta per lo studio della propagazione della delaminazione in modo I utilizzando tre procedure disponibili in Abaqus 2017: il Direct Cyclic Fatigue (DCF) già presente in precedenti versioni del codice a elementi finiti, e le nuove procedure implementate nell’ultima versione, il Simplified Fatigue (SF) , al centro della presente investigazione, e il Constant Amplitude (CA). Il comportamento a fatica del MMB viene studiato per diversi valori di mode-mixity usando il SF. Le funzionalità del nuovo SF non documentate nel manuale di Abaqus vengono ulteriormente approfondite a questo punto dell’analisi. Infine viene investigato il comportamento statico e a fatica del single stringer compression specimen (SSCS), un pannello nervato formato da una pelle in materiale composito irrigidito da un corrente a omega, tipico delle strutture aeronautiche. Lo scopo di questa analisi è di studiare la separazione tra il pannello e il corrente quando il provino si instabilizza. Analizzando il fronte di cricca si è trovato che la soluzione statica riproduce perfettamente la forma del fronte riscontrata in prove sperimentali di DCB e MMB presenti in letteratura. Invece il fronte di cricca predetto dalla simulazione a fatica è caratterizzato da una forma discontinua e i nodi vengono rilasciati a scatto. Una funzionalità simile a quella implementata per l’analisi statica che preveda il rilascio graduale dei nodi può risultare necessaria al fine di ottenere una corretta predizione della vita a fatica residua delle strutture in composito. Un risultato notevole del nuovo SF è che la risposta della DCB ottenuta utilizzando questa procedura tiene conto di diversi load ratio e di nonlinearità geometriche. Inoltre è risultato essere il più efficiente dal punto di vista computazionale fra i tre metodi. La previsione della risposta del MMB risulta in ottimo accordo con il modello analitico per 20% e 50% mode mixity e il cambiamento nelle condizioni di contatto correttamente riprodotto dal modello. Tuttavia la convergenza del modello 3D con elevato mode-ratio (MMB 80%) è ostacolata dagli elevati sforzi di taglio che generano importanti nonlinearità. Successivamente viene analizzata la legge di onset adottata nella nuova procedura: si trova che l’implementazione di tale legge influenza la delaminazione anche nella fase di propagazione che dovrebbe essere governata dalla sola legge di Paris. Si è quindi deciso di disattivare tale funzionalità e calcolare solo propagazione stabile del danneggiamento. Si trova che la nuova procedura risulta adatta a predire la risposta non lineare in post-buckling del SSCS e l’innesco della propagazione del danneggiamento tra pannello e corrente. Tuttavia una ulteriore e più approfondita investigazione del SSCS è necessaria al fine di studiare la crescita della delaminazione e predire il collasso della struttura sotto carichi di fatica attraverso il nuovo algoritmo. Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso l’Università Tecnologica di Delft (TU Delft).