A micro-macro approach for fiber reinforced composite

This work investigates the in-plane tensile failure of plain-weave Aramid Fiber Reinforced Plastic (AFRP) plies through a micro–macro homogenization approach based on a Representative Volume Element (RVE). The study is motivated by the need to improve the accuracy of failure predictions in Finite Element simulations of ballistic impact tests on Fiber Metal Laminates (FMLs), where the 2D Hashin criterion, originally formulated for unidirectional composites, is normally used. An RVE representing the ply of AFRP composite was modeled in Abaqus®, decomposing the composite into its two distinct homogeneous constituents, each with its corresponding mechanical properties. As both were observed to fail under tension due to the formation of cracks, a brittle cracking material model was used for both phases of the ply. Periodic boundary conditions were applied to simulate the presence of other RVEs in the surroundings, and inplane tension analysis were run. The results provide insight into the mechanism of failure at the micro-scale, and highlight the influence that the geometry of the fibers has on the macroscopic strength of the ply. The macroscopic strength domain is aligned with experimental data, and shows moderate deviation with respect to the Hashin criterion, especially in equi-biaxial tension conditions.

Questo lavoro analizza la rottura a trazione nel piano di lamine di composito Aramid Fiber Reinforced Plastic (AFRP) con tessitura a intreccio semplice, mediante un approccio di omogeneizzazione micro–macro basato su un Representative Volume Element (RVE). Lo studio è motivato dalla necessità di migliorare l’accuratezza delle previsioni di rottura nelle simulazioni agli Elementi Finiti di prove di impatto balistico su Fiber Metal Laminates (FML), nelle quali è stato utilizzato il criterio di Hashin bidimensionale, originariamente formulato per compositi unidirezionali. Un RVE rappresentativo della lamina di composito AFRP è stato modellato in Abaqus®, decomponendo le due fasi del composito eterogeneo in materiali omogenei distinti, ciascuno caratterizzato dalle proprie proprietà meccaniche. Per entrambe le fasi è stato adottato un modello di materiale "brittle cracking", poiché è stato osservato che entrambe cedono a trazione a causa della formazione di cricche. Sono state applicate condizioni al contorno periodiche per simulare la presenza degli RVE circostanti, e sono state eseguite analisi di trazione nel piano. I risultati forniscono informazioni sul meccanismo di rottura a livello microscopico e mettono in evidenza l’influenza della geometria delle fibre sulla resistenza macroscopica della lamina. Il dominio di resistenza macroscopico risulta coerente con i dati sperimentali e mostra deviazioni moderate rispetto alle previsioni del criterio di Hashin.