Buckling analyses of composite laminated panels with delamination

Buckling response of composite laminated panels with an artificial delamination was numerically investigated. Implementation of the finite-element models required a previous study on the simulation of fracture mechanisms under general mixed-mode loading conditions with the use of cohesive elements. At this purpose, a methodology based on numerical analyses and parametric studies of the DCB (Double Cantilever Beam) and ENF (End Notched Flexure) tests on AS4/PEEK laminates was developed. Comparison to available experimental data enabled to determine a reduced set of parameters which, controlling the response of cohesive elements and the variable discretization pattern over the model, provided a good compromise between accuracy and computational cost in both single-mode delamination cases. Validation of the obtained set of parameters took place through the simulation of the MMB (Mixed-Mode Bending) test at three different mode ratios. Good agreement with experimental measurements found in literature suggested extending the usage of the found set in more complex problems, such as delamination buckling of a damaged HTA/6376C plate, whose fracture-related properties are comparable to those of AS4/PEEK. Through a careful definition of the geometric imperfection, the adopted nonlinear static approach showed to yield predictions of the failure load in good agreement with experimental results reported in literature. Finally, a qualitative study was conducted about the reduction of compressive strength caused by delaminations of different sizes, shapes and through-the-thickness locations within an AS4/PEEK panel. Conclusions showed to be consistent with similar previous works conducted by other authors, evidencing a reduction of the compressive strength with the delamination size and depth. On the contrary, no significant influence of the delamination shape (circular or square) was observed.

Il presente lavoro di tesi riguarda l'analisi numerica del fenomeno del buckling in laminati piani in composito danneggiati. La simulazione dei meccanismi di frattura è stata affrontata tramite l'impiego di elementi coesivi. La messa a punto dei modelli ad elementi finiti per la corretta simulazione del danneggiamento progressivo e l'avanzamento della delaminazione in generiche condizioni di modo misto ha richiesto un'attenta taratura del modello coesivo così come un’opportuna definizione della discretizzazione spaziale. A questo scopo, è stata impostata una procedura fondata sulla realizzazione di simulazioni numeriche ed analisi parametriche delle prove DCB (Double Cantilever Beam) ed ENF (End Notched Flexure) su provini in AS4/PEEK. I modelli sono stati approntati attraverso il confronto dei risultati dei diversi studi parametrici con i dati sperimentali reperiti in letteratura, cercando di giungere ad un giusto compromesso tra accuratezza e costo computazionale. La validazione del set di parametri ottenuto è avvenuta sulla base della simulazione della prova MMB (Mixed-Mode Bending) per tre rapporti di modo misto differenti. La buona corrispondenza mostrata con i valori sperimentali riscontrati in letteratura ha determinato l'utilizzo di tale set in problemi di natura più complessa, quale il delamination buckling di una piastra in HTA/6376C, le cui proprietà, paragonabili a quelle dell’AS4/PEEK, hanno reso giustificabile l’impiego dello stesso modello di frattura. La validità di questa scelta è stata confermata dal buon riscontro evidenziato tra il carico di collasso previsto dalle analisi statiche non lineari ed il valore sperimentale disponibile in letteratura, frutto anche di una curata definizione delle imperfezioni geometriche. Infine, si è condotto uno studio qualitativo sulla reduzione della resistenza a compressione dovuta alla presenza di delaminazoni di dimensioni, forme e profondità diverse all'interno di un pannello in AS4/PEEK. Le conclusioni emerse da queste indagini si sono rivelate in linea con i risultati ottenuti in lavori precedenti svolti da altri autori, evidenziando una diminuzione della resistenza a compressione all'aumentare della dimensione e della profondità del danneggiamento. Al contrario, l'influenza della forma della delaminazione, circolare o quadrata, appare trascurabile.