Fiber/resin composites are advanced materials with a low weight to strength ratio, dimensional stability, custom design, corrosion resistance, durability, and flexibility that can substitute conventional materials in many fields. Moreover, due to their layered nature, composites can be combined with other materials, as in hybrid metallic/composite components, to fulfill diverse requirements like low working temperature or their properties in three-dimensional stress states as in hybrid structures. These irresistible features have made composites a preferred material choice among different materials by structural designers in the last decades. Besides all the advantages, detection of damage in composites and quantification of its effect on the structure’s strength needs to be dealt with. Composite-based structures are prone to many different modes of damage just in the composite phase, in addition to debonding that could occur in joints or adhesive interfaces. Most of these damages are not catastrophic per se but could degrade a high percentage of the structural strength and ultimately lead to final failure. Another important aspect of composites is their built-in residual thermal stress that arises during manufacturing due to their anisotropy Coefficient of Thermal Expansion (CTE), which can cause damage or distortion. This work aims to develop and assess approaches to investigate how strain fields caused by loading conditions can be influenced significantly by the release of the stress state produced during the technological processes. In this regard, the interface damage of hybrid metallic/composite components and curved beam composite specimens are studied. In both cases, residual thermal stress plays a crucial role in the fracture and delamination behavior of the component. The hybrid specimens studied in this work are enriched with optical fiber-based SHM systems to monitor the strain evolution during manufacturing and mechanical loading. Strain evolution during the curing cycle is used to calibrate a cooling simulation that evaluates residual stress prior to conducting the mechanical simulation. The resulting multistep numerical approach obtains an appreciable correlation with experimental forces, strain evolution, and final residual strain in the DCB tests. Experimental and numerical analyses indicate that residual thermal stress can affect the evolution of strains during crack propagation, the development of permanent displacements, and the forces required to propagate the cracks. Considering curved laminates, two lamination sequences of [0]_48 and [0_2/90_2 ]_6s are chosen for experimental and numerical investigation on the pure delamination and the interaction between in-plane and out-of-plane stresses and damage modes, taking the built-in residual thermal stress into account. The final point of this activity is developing a calibrated numerical tool for assessing residual strength and prediction of damage modes, considering the effects of residual strain and damage interactions.
I materiali compositi sono materiali particolarmente avanzati aventi un basso rapporto peso/resistenza, elevata stabilità dimensionale, buona resistenza alla corrosione, buona durabilità e flessibilità, i quali possono sostituire materiali convenzionali in diversi campi di applicazione. Inoltre, data la loro possibilità di essere laminati, è possibile combinarli con altri materiali ottenendo strutture ibride metallo/composito al fine di soddisfare diversi requisiti come l'impiego a basse temperature di esercizio o le proprietà fuori dal piano. Queste caratteristiche hanno reso i compositi particolarmente appetibili dai progettisti strutturali negli ultimi anni. A fronte dei vantaggi appena descritti è necessario valutare la capacità di rilevare difetti all'interno del materiale e quantificare il loro effetto sulla resistenza della struttura. Le strutture in composito sono soggette a diverse modalità di rottura, oltre che a fenomeni di scollamento che possono presentarsi nelle giunzioni e nelle interfacce adesive. La maggior parte dei danneggiamenti che presenti non sono catastrofici di per se ma possono portare al degrado della resistenza strutturale e infine alla rottura della struttura. Un altro aspetto importante dei compositi sono gli stress residui risultanti dal ciclo di polimerizzazione, dovuti alla naturale anisotropia del coefficiente di dilatazione termica del materiale, i quali possono causare danneggiamenti o distorsioni. Questo lavoro è volto allo sviluppo di approcci che permettono di studiare come il campo di deformazioni, causato dall'applicazione di carichi, può essere influenzato dal rilascio degli sforzi residui conseguenti ai processi tecnologici. A questo proposito, è stato studiato il danno interlaminare in componenti ibridi metallo/composito e in provini curvi. In entrambi i casi, gli sforzi residui giocano un ruolo cruciale nel comportamento della frattura e delaminazione del componente. I provini ibridi studiati in questo lavoro sono strumentati con un sistema di monitoraggio strutturale (SHM) con sensori a fibra ottica, così da monitorare l'evoluzione delle deformazioni durante il processo di produzione e di applicazione dei carichi. L'evoluzione delle deformazioni durante il processo di polimerizzazione è stata usata per calibrare delle analisi di raffreddamento che sono mirate a valutare lo stato di sforzo nella struttura prima dell'analisi meccanica. L'approccio numerico multistep è risultato avere una buona correlazione con le forze misurate sperimentalmente, l'evoluzione delle deformazioni e le deformazioni residue nei test DCB. I risultati sperimentali e le analisi numeriche mostrano che gli sforzi termici residui possono influenzare l'evoluzione delle deformazioni durante la propagazione della cricca, così come possono dare luogo a spostamenti permanenti e possono influenzare l'entità dei carichi richiesti per propagare le cricche. Per quanto riguarda i laminati curvi, due sequenze di laminazione, [0]48 e [02/902]6s, sono state studiate con analisi numeriche e test sperimentali su delaminazioni e interazione tra sforzi e modalità di rottura nel piano e fuori dal piano, tenendo conto degli sforzi termici residui. La scopo finale di questa attività è lo sviluppo di uno strumento numerico calibrato per valutare la resistenza residua e individuazione di modalità di cedimento, considerando gli effetti dell'interazione tra deformazioni residue e danneggiamenti.
Modeling and monitoring of interface damage in composite in the presence of residual and combined stress states
Ghiasvand, Sara
2021/2022
Abstract
Fiber/resin composites are advanced materials with a low weight to strength ratio, dimensional stability, custom design, corrosion resistance, durability, and flexibility that can substitute conventional materials in many fields. Moreover, due to their layered nature, composites can be combined with other materials, as in hybrid metallic/composite components, to fulfill diverse requirements like low working temperature or their properties in three-dimensional stress states as in hybrid structures. These irresistible features have made composites a preferred material choice among different materials by structural designers in the last decades. Besides all the advantages, detection of damage in composites and quantification of its effect on the structure’s strength needs to be dealt with. Composite-based structures are prone to many different modes of damage just in the composite phase, in addition to debonding that could occur in joints or adhesive interfaces. Most of these damages are not catastrophic per se but could degrade a high percentage of the structural strength and ultimately lead to final failure. Another important aspect of composites is their built-in residual thermal stress that arises during manufacturing due to their anisotropy Coefficient of Thermal Expansion (CTE), which can cause damage or distortion. This work aims to develop and assess approaches to investigate how strain fields caused by loading conditions can be influenced significantly by the release of the stress state produced during the technological processes. In this regard, the interface damage of hybrid metallic/composite components and curved beam composite specimens are studied. In both cases, residual thermal stress plays a crucial role in the fracture and delamination behavior of the component. The hybrid specimens studied in this work are enriched with optical fiber-based SHM systems to monitor the strain evolution during manufacturing and mechanical loading. Strain evolution during the curing cycle is used to calibrate a cooling simulation that evaluates residual stress prior to conducting the mechanical simulation. The resulting multistep numerical approach obtains an appreciable correlation with experimental forces, strain evolution, and final residual strain in the DCB tests. Experimental and numerical analyses indicate that residual thermal stress can affect the evolution of strains during crack propagation, the development of permanent displacements, and the forces required to propagate the cracks. Considering curved laminates, two lamination sequences of [0]_48 and [0_2/90_2 ]_6s are chosen for experimental and numerical investigation on the pure delamination and the interaction between in-plane and out-of-plane stresses and damage modes, taking the built-in residual thermal stress into account. The final point of this activity is developing a calibrated numerical tool for assessing residual strength and prediction of damage modes, considering the effects of residual strain and damage interactions.| File | Dimensione | Formato | |
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