Numerical investigation of skin-stringer separation in post-buckled thermoplastic composite structures

With the increasing demand for lighter and more efficient aircraft structures, designing components to operate in the post-buckling regime without compromising structural integrity is becoming increasingly relevant. Thermoplastic composites have emerged as a promising solution to safely exploit this regime, offering further reductions in both weight and manufacturing costs. Nevertheless, due to insufficient knowledge of their complex failure mechanisms, implementation is still limited to secondary structures. This thesis aims to develop finite element models to support the investigation of skin–stringer separation in post-buckled thermoplastic composite stiffened panels. The cohesive zone modelling approach, typically used for thermoset composites, is here investigated for its applicability to thermoplastic materials. Preliminary double-cantilever beam (DCB) results reveal that a bilinear traction–separation law fails to accurately predict the peak load and the early stages of delamination propagation, resulting in a brittle-like response that does not reflect the progressive toughening behavior typical of thermoplastics. This phenomenon, commonly referred to as the R-curve effect, is incorporated into the finite element models through the superposition of two bilinear traction–separation laws. The resulting trilinear formulation improves correlation with experimental data in terms of both initiation and propagation, proving more suitable for modeling delamination in thermoplastics. The methodology is then extended to more complex configurations, such as single-stringer specimens subjected to Seven-Point Bending (7PB) and Four-Point Twisting (4PT), specifically designed to realistically reproduce the most critical post-buckling deformation modes. The results are analyzed in detail, focusing on load–displacement responses, delamination patterns, failure initiation, and mixed-mode conditions during damage propagation, highlighting the influence of different cohesive laws on the overall structural response. In the 7PB configuration, a bilinear law based on propagation values appears sufficient to reproduce the global separation behavior. In contrast, in the 4PT case, including an R-curve in Mode I results in significantly higher predicted failure loads.

Con la crescente richiesta di strutture aeronautiche sempre più leggere ed efficienti, la progettazione di componenti capaci di operare in regime di post-buckling senza comprometterne l’integrità strutturale sta assumendo un ruolo sempre più centrale. I compositi termoplastici si stanno affermando come una soluzione promettente per sfruttare in sicurezza tale regime, offrendo al contempo significative riduzioni di peso e costi di produzione. Tuttavia, la loro applicazione è attualmente limitata alle strutture secondarie, a causa della conoscenza ancora insufficiente dei complessi meccanismi di danneggiamento che li caratterizzano. Il presente lavoro si propone di sviluppare modelli agli elementi finiti a supporto dell’analisi della separazione tra skin e stringer in pannelli irrigiditi realizzati in composito termoplastico. L’impiego di elementi coesivi, generalmente adottati per i compositi termoindurenti, viene qui investigato per valutarne l’applicabilità ai materiali termoplastici. I risultati preliminari ottenuti su provini DCB (Double Cantilever Beam) mostrano che una legge coesiva bilineare non è in grado di prevedere accuratamente né il carico massimo né le prime fasi di propagazione del danno, restituendo una risposta eccessivamente fragile e non rappresentativa dell'aumento progressivo della reistenza a frattura tipicamente osservato nei termoplastici. Questo fenomeno, noto come effetto R-curve, è implementato nei modelli numerici mediante la sovrapposizione di due leggi coesive bilineari, con risultati che mostrano un miglior accordo con i dati sperimentali, sia nella fase di innesco che in quella di propagazione. Una volta validata su provini DCB, la metodologia viene estesa a configurazioni più complesse, come provini single-stringer sottoposti a prove Seven-Point Bending (7PB) e Four-Point Twisting (4PT), appositamente progettate per riprodurre in modo realistico le modalità di deformazione più critiche in regime di post-buckling. I risultati mettono in evidenza l’influenza delle diverse leggi coesive sulla risposta globale della struttura. In particolare, nella configurazione 7PB, una legge bilineare basata sui valori di propagazione può risultare adeguata a rappresentare la separazione tra skin e stringer, mentre nel caso 4PT l’introduzione dell’effetto R-curve in modo I comporta un sensibile incremento del carico di rottura previsto.