Multiscale analysis of plain weave Kevlar 29 composite with evaluation on the effect of nesting in the mechanical properties

During the manufacturing process of fiber reinforced composites, flaws can arise from uneven fiber distribution, fiber waviness, fiber misalignment, and matrix voids. They occur randomly and lead to variations in the composite mechanical and physical properties. The uncertainties originating from the microscale and mesoscale levels impact the macroscale mechanical properties, therefore a multiscale analysis approach is needed for accurate quantification of these uncertainties. By examining the behavior of materials across different scales, multiscale modeling provides insights into the underlying mechanisms that govern the mechanical properties of plain weave composites. Homogenization techniques offer a way to predict the mechanical behavior of heterogeneous microstructures by replacing them with an equivalent homogeneous continuum. Numerous micromechanical models and computational homogenization techniques have been developed to predict the behavior of heterogeneous materials. This study aims to investigate the multiscale behavior of plain weave composites, focusing on the uncertainties resulting from yarn misalignment, commonly referred to as nesting. Through a combination of experimental characterization and computational modeling, the influence of yarn nesting on the overall mechanical properties of the composite is examined, while also discussing the reliability and accuracy of different numerical methods employed in the analysis.

Durante il processo di produzione di compositi rinforzati con fibre, possono verificarsi difetti dovuti a distribuzione non uniforme delle fibre, ondulazione e disallineamento delle fibre e vuoti nella matrice. Questi si verificano in modo casuale e portano a variazioni nelle proprietà meccaniche e fisiche del composito. Le incertezze derivanti dai livelli di microscala e mesoscala influiscono sulle proprietà meccaniche di macroscala; pertanto, è necessario un approccio di analisi multiscala per una quantificazione accurata di queste incertezze. La modellazione multiscala fornisce informazioni sui meccanismi che governano le proprietà meccaniche dei compositi e, attraverso tecniche di omogeneizzazione permette di prevedere il comportamento meccanico di microstrutture eterogenee con un continuum omogeneo equivalente. In questa test stati sviluppati numerosi modelli micromeccanici e tecniche di omogeneizzazione computazionale per prevedere il comportamento di materiali eterogenei. Questo studio si propone di indagare il comportamento multiscala dei compositi a trama semplice, concentrandosi sulle incertezze derivanti dal disallineamento del filato, comunemente indicato come nesting. Attraverso una combinazione di caratterizzazione sperimentale e modellazione computazionale, viene esaminata l'influenza del nesting del filato sulle proprietà meccaniche complessive del composito, discutendo anche l'affidabilità e l'accuratezza dei diversi metodi numerici impiegati nell'analisi.