2D and 3D finite element analyses of dynamic delamination in curved cfrp laminates

Abstract

Spar ve ribler gibi havacılık yapılarının birçoğu bükümlü bölgeler içermektedir. Bu bükümlü bölgelerin varlığından dolayı radyal yönde ciddi gerilmeler ortaya çıkmaktadır. Kompozit malzemeler genetikleri gereği fiber yönüne dik yönde düşük mekanik özellikler gösterdiğinden bükümlü bölgede meydan gelen bu gerilmeler yük taşıma kapasitesini düşürecek delaminasyona ve hatta yapının tamamenparçalanmasına sebep olabilir. Bu çalışmada, bükümlü kompozit yapılardaki tabakalar arası ilerleyen hasar, iki farklı serim mimarisi (UD ve kumaş) için yapışkan alan elemanları ile birlikte ABAQUS/Explicit kullanarak incelenmiştir. Yapılan simulasyonlar daha önce Tasdemir [ 1 ] tarafından yapılan deneylere dayanmaktadır. Söz konusu iki numune için iki ve üç boyutlu sonlu elemanlar analizi moment/eksenel kombine yüklemesi altında gerçekleştirilmiştir. Hem 2B hem 3B analizlerde,delaminasyonun maksimum radyal gerilmenin maksimum bükümlü bölge merkezinde meydana geldiği gözlemlenmiştir. Bükümlü kompozitlerdeki dinamik delamisyonun 2B ve 3B sonlu elemanlar analizi, çatlak ilerleme hızının numune içerisinde değiştiğini ve serbest kenardaki çatlağın merkez çatlaktan daha hızlı ilerlediğini göstermiştir. UD laminat için, delaminasyon numune genişliğinin tam ortasında meydana geldikten sonra numunenin kol bölgesine ulaştığı anda Mode-II yükleme altında intersonik olarak ilerlemiştir. Kumaş laminat için, delaminasyon numune genişliğinin tam ortasında meydana gelir. Delaminasyon başlangıcının, malzeme uyumsuzluğunun farklı katman oryantasyonları arasında maksimum olduğu serbest kenar yerine numune genişliğinin tam ortasında gözlemlenmesi ilgi çekicidir. Üç boyutlu analizlerde iki boyutlu analizlerde gözlemlenemeyen etkiler açık bir şekilde gözlemlenmiştir.Yapılan analizler kalınlık yönündeki hasar başlangıç yeri ve yük deplasman eğri trentleri açısından deneyler ile uyumlu sonuç göstermektedir.Yazarın bilgisine göre, bu çalışma CFRP laminatlardaki dinamik delaminasyonun 3B simulasyon kullanılarak modellenmesinde ilktir.

Most of the aerospace structures such as spars and ribs contain curved regions in which presence of curved region induces significant tensile stresses in the radial direction in these complex parts. Since composite materials inherently have low mechanical properties in the transverse direction, transverse tensile stresses developed in curved region cause delamination which reduces load carrying capacity of the component and even leads to collapse of the part. In this study, progressive interlaminar damage in curved CFRP composite laminates with two different ply architectures (unidirectional and fabric) are investigated by using ABAQUS/Explicit in conjunction with cohesive zone elements. The simulations are based on the experiments conducted by Tasdemir[ 1 ]. 2D and 3D finite element analyses of the considered two specimens (UD and fabric) are performed under moment/axial combined loading. In both 2D and 3D analyses, delamination is found to induce at the center of the curved region which is exactly the maximum radial stress location. 2D and 3D finite element analyses of dynamic delamination in curved composite laminates revealed that the crack propagation speeds inside the laminate varies as edge crack travels faster than centercrack. For UD laminate, delamination initiates at the center of the width of the laminate and as the crack passes to arm region it travels in Mode-II dominancy at intersonic speeds. For fabric laminate, delamination initiates at the center of the width of the laminate. It is interesting to observe the delamination onset at center of the width instead of free-edge where the material mismatch exists between different layer orientations. 3D analysis is found to capture effects that are not seen in the 2D analysis. The analysis agrees well with the experimental results in terms of damage initiation location through the thickness direction and load-displacement trend. To the author's knowledge, this is the first study to model the dynamic delamination in curved CFRP laminates using 3D simulations.