Numerical and experimental failure analysis of carbon fiber-reinforced polymer under high velocity impacts

In the last few decades, the use of composite materials in different structures has become increasingly popular since composites are well known for their excellent weight/strength and weight/stiffness properties and this makes them the material of choice for lightweight structures. Laminated fibre-reinforced composite materials are also known for their good environmental resistance and fatigue resistance. Aircraft structures need to be constructed using material that possesses high durability, high hardness and light weight. However, one of the main concerns in the use of advanced composites is their poor translaminar properties, which become critical under situations like impact loading. Hence, one of the most essential features of fibre-reinforced composites in an aircraft or structural application are damage tolerance and damage resistance under impact loading, because they are exposed to unplanned impact loading of numerous kinds during the manufacturing process and in service. The current thesis presents an experimental and numerical study on the mechanical behaviour of carbon fibre reinforced polymer (CFRP) composites to obtain the input parameters for two different progressive failure models based on continuum damaged mechanics (CDM). The first on is Puck failure criterion which was implemented utilizing a user-defined material model or a Vumat subroutine in Abaqus, and the other one is MAT162 which is a build-in material model available in Ls-dyna and it is based on Hashin failure criterion. The material tested is a pre-preg made of carbon fibres and epoxy resin having high mechanical properties. Static, tensile and three point bending tests have been carried out in the past in order to obtain the main mechanical properties of the lamina out of which the composite material is built. According to the results obtained from these experiments, FE models are developed to assess the mechanical behaviour of the composite material in a numerical environment with focus on the capability of the model to mimic the response of the material under different loading conditions and to faithfully reproduce the progressive damage failure. The methods and the criteria used for modelling the material will be deeply discussed in the next sections and the numerical results are compared with the experimental ones. Last analyses show the results of ballistic impacts on a composite plate made of the same material.

Negli ultimi decenni, l’uso di materiali compositi in diversi campi è diventato sempre più popolare viste le loro ben note eccellenti proprietà. L’elevato rapporto rigidezza/peso e resistenza/peso li rendono particolarmente adatti per la costruzione di strutture leggere. I laminati in fibra di carbonio sono inoltre per la buona resistenza all’ambiente esterno e il comportamento a fatica. Le strutture aeronautiche richiedono materiali da costruzione che siano duraturi nel tempo, resistenti e leggeri. I materiali compositi soddisfano tutte queste richieste, ma una delle problematiche più rilevanti nel loro utilizzo, è la carente proprietà traslaminare, che li rende particolarmente sensibili agli impatti. Di conseguenza, una delle caratteristiche che si ricercano nei compositi nelle applicazioni aeronautiche o strutturali, è la tolleranza e la resistenza al danno dopo l’impatto, poiché questi eventi imprevisti possono verificarsi in svariate circostanze. Questa tesi presenta una studio sperimentale e numerico sul comportamento meccanico di provini in composito CFRP, con lo scopo di ottenere parametri di input per due differenti modelli in grado di simulare il danneggiamento progressivo basato sulla continuum damaged mechanics (CDM). Il primo modello si basa sul criterio di Puck ed è stato implementato in Abaqus attraverso una Vumat, invece il secondo sfrutta il software LS-Dyna e il suo materiale MAT162 basato sul criterio di Hashin. Il materiale testato è un pre-impregnato in fibra di carbonio e matrice in resina epossidica con elevate caratteristiche meccaniche. Nel passato sono state svolte diverse prove statiche, a trazione e flessione su provini con diverse orientazioni in modo da ricavare le proprietà meccaniche del laminato. In accordo con i risultati ottenuti dall’attività sperimentale, sono stai costruiti dei modelli FEM in grado di replicare il comportamento del materiale sotto diversi carichi e il suo conseguente danneggiamento in maniera progressiva. I criteri e i metodi utilizzati verranno ampiamente discussi nelle sezioni successive e i risultati sperimentali e numerici verranno confrontati. Infine diverse analisi mostreranno il comportamento del materiale a impatti ad alta velocità.