Examination of a micromechanics based failure criterion for non-crimp fiber reinforced composite laminates

Abstract

İplik dikimi ile kat düzleminde paralel tutturulmuş elyaflardan oluşan, kıvrımsız elyaf takviye dokumalar ve vakum infüzyon yöntemi ile üretilen polimer matris elyaf takviye kompozit yapılar otomotiv, rüzgar türbini ve deniz taşıt endüstrisinde sık kullanılır hale gelmiştir. Bu tip malzemelerin verimli ve en iyi şekilde yapısal tasarımlarda kullanılması, elyaf takviyeli kompozit yapılara özel geliştirilen/önerilen kırılma kriterinin etkinliğine bağlıdır. Kullanılacak olan kırılma kriterinin verimliliğinin değerlendirilmesi için deneysel çalışmalar önemli yer tutmaktadır.Bu tezde, kırılma mikromekaniği olarak bilinen, sonlu elemanlar yöntemi esaslı mikromekanik çözümlemelerin kullanıldığı kırılma kriterinin ve bu kriterin kıvrımsız elyaf takviyeli polimer matrisli kompozitler üzerinde deneysel olarak değerlendirilmesi üzerinde odaklanılmıştır. Kıvrımsız cam elyaf/vinil esterden yapılmış tek ve çok yönlü laminatlar vakum infüzyon yöntemi ile üretilmiştir. Laminatların hammaddeleri için, cam elyaf ve reaksiyon süreci tamamlanarak sertleştirilmiş vinil ester numunelerin deneysel tespit edilen mekanik özellikleri mikromekanik hesaplamalarında kullanılmıştır. Ortasına elyaf gömülü olarak hazırlanmış temsili hacim elemanı MSC. PATRAN' da modellenmiş ve de MD. NASTRAN' da malzemenin elastik sabitlerinin elde edilmesi amacı ile çözdürülmüştür. Bu temsili hacim elemanı, çeşitli noktalarda gerilme artış katsayılarının bulunması sırasında da kullanılmıştır. Her bir laminadaki ortalama kırılma gerilmesi ile hesaplanmış olan gerilme artış katsayısı çarpımları ile bulunan elyaf ve reçine mukavemetleri, deneysel olarak bulunan değerler ile karşılaştırılmıştır. Bulgular, kıvrımsız elyaf takviyeli kompozit laminatların kırılmasının tahmininde kullanılan mikromekanik esaslı kırılma kriterinin tutarlılığını ve doğruluğunu göstermiştir. Elde edilen sonuçlar mikromekanik esaslı bu kırılma kriterinin kompozit laminatların kırılmaya karşı tasarımlarının eniyileştirilmesi için kullanılabileceğini göstermektedir.

Warp-knit non-crimp fabric (NCF) reinforced polymer matrix composites manufactured by vacuum infusion (VI) have become appealing for structural applications, particularly in automotive parts, wind turbine blade production and marine industry. Their efficient and optimal use in structural design relies on the accuracy of the selected failure criterion typically specific to fiber reinforced composites. Experimental studies are conducted in order to measure the accuracy of the methodology of the applied failure criterion.This thesis focuses on a failure criterion via finite element based micromechanics, typically referred as micromechanics of failure (MMF) and its experimental assessment for NCF reinforced polymer matrix composites. Glass fiber NCF/Vinyl ester unidirectional (UD) and multidirectional (MD) laminates are produced by VI. The mechanical properties of laminates with their constituent materials, i.e. the glass fiber and cured vinyl ester, are also measured to be used in micromechanics computations. Representative Volume Element (RVE) of a single fiber embedded in the polymer matrix at measured fiber volume fraction is modeled in MSC. PATRAN and solved in MD. NASTRAN for elastic constants. This RVE is also used for calculating the stress amplification factors within the RVE at several nodes. Back calculations of the glass fiber and cured resin strength by multiplying the ply average stresses at failure (experimental) with the maximum stress amplification factor are compared with the tested strength of constituents. They match well indicating the efficiency and accuracy of MMF in predicting the failure of NCF laminated composites and suggest that MMF can be implemented in design optimization of laminated composites against failure.