Compressive failure and kink-band modeling in composite laminates

To increase the use of composite laminates in structural applications, a major issue is to properly account for intra-laminar failure mechanisms, such as kink-band failure, induced in compression. This work presents the development and the assessment of a new formulation able to predict failure under compression. The UD-ply response is described by a tensor-based transverse isotropy representation, in a finite strain theory context, coupled with an elastic damage model, based on Continuum Damage Mechanics (CDM), to describe kink-band failure. The effect of a region with misaligned fibers is considered through a computational homogenization technique. The material response is numerically implemented in a VUMAT-subroutine. During the calibration of the damage parameters against experimental axial tests, the model was extended in order to account also for splitting failure, encountered in unidirectional specimens subjected to an offaxis compressive load. Two sets of parameters are, thus, identified for the two failure mechanisms, i.e. kink-band and splitting, belonging respectively to plies with fibers in line with the load and plies with an offaxis angle. The main idea is, therefore, to model and calibrate the plies damage behaviour individually and, afterwards, put them together in a finite element model, to create a laminate structure. Two different stacking sequences were considered: sublaminate scaled laminates [45/90/-45/0]nS and ply-scaled laminates [45n/90n/-45n/0n]S. A finite element explicit analysis is used to simulate open hole compression (OHC) tests, in order to validate the model with the experimental results available in the literature. It is found that the proposed model is generally able to predict the experimental strengths and damage patterns, especially in the case of sublaminate scaled specimens.

La diffusione dell’uso di materiali compositi laminati in applicazioni strutturali è spesso ostacolata dalla difficoltà nel tenere in considerazione meccanismi di rottura intralaminari, tra cui il fenomeno di kink-band, incontrato in compressione. In questo lavoro vengono presentati gli sviluppi e la validazione di un nuovo modello atto a predire la rottura per compressione in materiali rinforzati con fibra di carbonio. Il comportamento della singola lamina unidirezionale è descritto con un modello tensoriale di elasticità trasversalmente isotropo nel contesto di grandi deformazioni, abbinato a un modello di danno continuo di tipo elastico. L’effetto di una regione caratterizzata da fibre disallineate è considerato attraverso tecniche di omogenizzazione computazionale. La risposta meccanica del materiale viene implementata numericamente in una VUMAT-subroutine. Durante la calibrazione dei parametri di danneggiamento attraverso risultati sperimentali di test assiali, il modello è stato ampliato al fine di tenere in considerazione anche la rottura per splitting, incontrata sperimentalmente nei test su provini unidirezionali con fibre orientate fuori asse rispetto al carico. Due serie di parametri sono stati quindi identificati per i due meccanismi di rottura, kink-band e splitting, rispettivamente per le lamine con fibre allineate con il carico e per lamine con fibre fuori asse rispetto al carico. L’idea principale è, quindi, quella di modellare e calibrare il comportamento delle singole lamine e successivamente unirle insieme in un modello a elementi finiti per creare una struttura laminare multidirezionale. Due strategie di laminazione sono state considerate per i provini: sublaminate-scaled caratterizzati da una sequenza [45/90/-45/0]nS e ply-scaled con sequenza [45n/90n/-45n/0n]S. Un’analisi ad elementi finiti di tipo esplicito è stata impostata per simulare prove di rottura a compressione con foro aperto, al fine di validare i risultati del modello con i risultati sperimentali disponibili in letteratura. Si è constatato che il modello proposto è generalmente in grado di predire sia il carico massimo sostenibile che i meccanismi di danneggiamento incontrati sperimentalmente, in particolare nel caso di provini costruiti con una strategia sublaminate-scaled.