Experimental and numerical investigation of damage induced by transverse impact in composite beams and plates

Abstract

Kompozit malzemelerden yapılan mühendislik parçaları, takım düşmesi, dolu çarpması ve kuş çarpması gibi darbelere maruz kalmaktadırlar. Darbe kaynaklı hasar, kalıntı gücünde önemli kayıplara neden olduğundan, hasar mekanizmaları iyi anlaşılmalı ve doğru bir şekilde modellenmelidir. Bu amaçla, kompozit kiriş ve levhalarda düşük hızlı darbe altındaki hasarın oluşum süreci deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir.Tezin ilk kısmında, [05/903]s ve [905/03]s CFRP kirişlerinin iki boyutlu çizgisel darbe deneyleri ve simülasyonları çalışılmıştır. Deneyler, el yapımı bir düşen ağırlık test düzeneği kullanılarak gerçekleştirilmiştir ve [05/903]s kirişlerdeki mikro-çatlak oluşumu ve delaminasyon ilerleme süreçleri, yüksek hızlı kamera sistemi ile 525.000 kare/s'ye kadar ulaşan hızlarda görüntülenmiştir. Hasar öncesi gerinim alanları dijital görüntü korelasyon yöntemiyle hesaplanmıştır. Kirişlerdeki nihai hasar dağılımları, dijital bir mikroskop kullanılarak karakterize edilmiştir. Kiriş deneylerinin sonlu elemanlar analizleri ABAQUS/Explicit'te gerçekleştirilmiştir. Kompozit katman hasarı, LaRC04 başlangıç kriterine sahip bir sürekli ortam hasar modeli ile simüle edilmiştir. Delaminasyon hasarının simülasyonu için yapışkan arayüz yöntemi kullanılmıştır. Tezin ikinci kısmında, [08/902]s ve [04/904/02]s CFRP ve GFRP plakaların standart ağırlık düşürme deneyleri ve bu deneylerin simülasyonları çalışılmıştır. Plakalardaki nihai delaminasyon dağılımları, tahribatsız muayene teknikleri kullanılarak görüntülenmiştir. Çalışmanın sayısal bölümünde, kiriş ve plaka kuponları üzerinde yapılan darbe testlerini simüle etmek amacıyla ABAQUS/Explicit'te bir sanal darbe test düzeneği modellenmiştir. Hashin hasar başlangıç kriterine sahip sürekli hasarı mekaniği temelli 3-B bir katman malzeme modeli geliştirilmiş ve kullanıcı tarafından yazılmış bir VUMAT altprogramı ile sonlu elemanlar modeline uygulanmıştır. Delaminasyon hasarı, farklı yönelimli katmanların arayüzlerine yapışkan elemanlar yerleştirilerek simüle edilmiştir. Çalışmanın genelinde, simülasyon ve deney sonuçları arasında, darbenin neden olduğu hasarın başlangıcı, ilerlemesi ve nihai şekli bakımından iyi bir uyum elde edilmiştir.

Engineering parts made of composite material are susceptible to impacts such as tool drop, hail strike, and bird strike. Since impact induced damage leads to considerable losses in the residual strength, damage mechanisms should be understood well and modelled accurately. For this purpose, damage process in composite laminates under low-velocity impact is investigated experimentally and numerically for two geometries: (i) beams and (ii) plates.In the first part of the thesis, experimental and numerical study of 2-D line impact on [05/903]s and [905/03]s CFRP beam specimens are conducted. The experiments using an in-house built drop-weight test setup where micro-crack formation and delamination propagation sequences in [05/903]s beams are captured for the first time via ultra-high-speed camera system at rates up to 525,000 fps. Strain fields prior to failure are calculated with digital image correlation method. Post-mortem damage patterns in the beams are characterized using a digital microscope. Finite element simulations of the beam experiments are conducted in ABAQUS/Explicit. Composite ply damage is simulated via a continuum damage model with LaRC04 initiation criteria. Cohesive zone method is used to simulate delamination damage.In the second part of the thesis, experimental and numerical study of standard drop-weight impact on [08/902]s and [04/904/02]s CFRP and GFRP plates are carried out. Final delamination patterns in the plates are captured using non-destructive inspection techniques. In the numerical part, virtual test setup is modeled in ABAQUS/Explicit to simulate impact test on plate specimens. A 3-D continuum damage mechanics based ply material model with Hashin failure criteria is developed and implemented into the finite element model via a user-written subroutine VUMAT. Delamination damage is simulated by inserting cohesive elements at the interfaces of plies having different orientations. Results of the simulations agreed well with the experimental results in terms of initiation, propagation and final pattern of the impact induced damage.