Meso-scale finite element modeling of microvascular channels in composites

Abstract

Kompozit malzemeler, havacılık ve otomotiv sanayisindeki uygulamalarda yaygın bir şekilde kullanım alanına sahip olduğundan, her yeni teknolojik ilerleme kapsamlı olarak araştırılmalıdır. Hafif ağırlığı ve sertliği sayesinde, kompozitler havacılık sanayisindeki ağır klasik metallere ve alaşımlara en iyi alternatif olmaktadır. Gömülü mikrovasküler kanallarla güçlendirilmiş olan çok fonksiyonlu kompozit yapıların ilerlemesi, işlevsellikte önemli artışlar için bir potansiyel sağlamaktadır. Bu tür mikro-kanalların dahil edilmesi, kendi kendine iyileşme, aktif termal ve elektromanyetik yönetim gibi fonksiyonlar sunarak, çok fonksiyonlu kompozitlerin elde edilmesine yol açmaktadır. Ancak, eksen dışı damarların varlığı, iç kusurlar olarak kabul edilen mesela reçine zengini cepler gibi lifli yapıya doğru lokalize bir bozulmaya neden olmaktadır ve kompozit yapı içerisinde gerilme yığışmalarına neden olabilir. Bu çalışmanın ana amacı, sayısal bir modelleme yöntemi geliştirmek ve çeşitli damar boyları, şekilleri ve istif dizileri dikkate alınarak mikrovasküler kanallara sahip kompozitlerdeki gerilme yığışmasını araştırmaktır. Mikrovasküler kanallar için sayısal modelleme, bir sonlu eleman yaklaşımı kullanılarak elde edilmektedir. Model, THKÜ laboratuvarlarında yapılan germe numunesinin gerçek boyuttaki parametreleri kullanılarak, bu boyutların doğrudan mikro-resimlerle yakalanması vasıtasıyla üretilmektedir. Sonlu eleman modelinin geliştirilmesi iki aşamada gerçekleştirilmektedir. Başlangıçta, bir model daha önceki düzlemsel deformasyon modelinin 3 boyutu olarak üretilmekte ve sonuçlar doğrulama amaçlı karşılaştırılmaktadır. Daha sonra geliştirilen 3 boyutlu model, THKÜ'da hazırlanan numuneler için mikrovasküler kanalların gerilmeler üzerindeki etkisini araştırmak için kullanılmaktadır. Sınır şartlarında daha esnek bir model, yükleme konfigürasyonları, istif dizisi ve kanal yönü geliştirilmiştir. Analiz sonuçları, reçine zengini cebin üzerindeki ve ortasındaki gerilmenin, aynı istif düzenine sahip çeşitli damar çapları için davranışını koruduğunu göstermektedir. Cebin üzerindeki lamine UD 0'da olduğunda en düşük normalleştirilmiş gerilmeler gözlenmişken UD 90'da normalleştirilmiş gerilmeler en yüksektir. Aynı kesite sahip olan daire şeklinden ziyade eliptik bir şekil olarak bir mikrovasküler kanalın kullanılması gerilme yığışımını düşürmektedir.

As the wide usage of composite materials in aerospace and automotive application, every new technological advancement must be investigated comprehensively. Because of its light weight and toughness, composites represent the best alternative for the heavy classical metals and alloys in the aerospace industry. The advancement of multifunctional composite structures empowered by embedded microvascular channels provides the potential for significant increases in functionality. Incorporating such microchannels leads to multifunctional composites by offering functions such as self-healing, active thermal and electromagnetic management. However, the presence of off-axis vascules leads to localized disturbance to the fibre architecture, i.e. resin-rich pockets, which are regarded as internal flaws and may cause stress concentrations within the composite structure. The main aim of this study is to develop a computational modelling method and investigate the stress concentrations in composites with microvascular channels taking into consideration various vascular sizes, shapes and stacking sequences. The computational modelling for microvascular channels is accomplished by using a finite element approach. The model is generated using real dimension parameters of the tensile sample made in the UTAA labs by capturing these dimensions directly from the micro-pictures. The development of finite element model is performed in two stages. Initially, a model is generated as a 3D version of a previous plain strain model and the results are compared for validation purposes. Then the developed 3D model is used to investigate the effect of microvascular channels on stresses for the samples prepared in UTAA. A more flexible model in boundary conditions, loading configurations, stacking sequence and channel direction is developed. The analysis results show that the stress above and through the middle of the resin-rich pocket preserve its behaviour for various vascular diameters with the same stacking order. Lowest normalized stresses are observed when the laminate above the pocket is in UD 0, while UD 90 normalized stresses are highest. Utilizing a microvascular channel as an elliptical shape rather than circular with the same cross-sectional area reduces the stress concentrations.