Failure analysis of advanced composites under impact by cohesive zone method

Abstract

Bu çalışmada, düşük hızlı darbeye maruz kalan tabakalı kompozit yapıların tabaka ayrılması (delaminasyon) hasarı incelenmiştir. Delaminasyon alanı, şekli ve konumunu elde edebilmek amacı ile üç-boyutlu sonlu eleman analizleri gerçekleştirilmiştir. Darbe analizi, hareket denklemlerini merkezi fark yöntemi ile zamana göre integral alma ilkesini kullanan açık sonlu eleman yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Kompozit yapılar sekiz düğümlü katı elemanlar kullanılarak modellenmiştir. Tabakalar arasındaki kritik arayüzler Yapışkan Alan Yöntemi (YAY) ile modellenmiştir. Hasarın başlangıcını ve ilerleyişini tek bir model içinde göz önüne alan bu tümleşik yaklaşım bu çalışmada kullanılmıştır. Doğrusal elastik ve doğrusal yumuşama davranışı bu arayüz elemanlarına uygulanmıştır. Hasar başlangıcı için gerilme tabanlı yetmezlik (failure) ölçütü, hasar ilerleyişi için ise hasar mekaniği yaklaşımı kullanılmıştır. Yapılan analizler doğrulama çalışmaları ve parametrik çalışmalar olmak üzere iki ana kısma ayrılmıştır. Sekiz düğümlü katı eleman, tabaka ayrılması hasarı göz önüne alınmadan doğrulanmıştır. Sonlu eleman modeli ise tabaka ayrılması hasarı göz önüne alınarak literatürdeki deneysel çalışmalar ile doğrulanmıştır. Doğrulanan model eğri yüzeyli kompozit yapılara uygulanmış ve kavisin tabaka ayrılması hasarına olan etkisi parametrik çalışmalar ile belirlenmiştir. Ayrıca eleman boyutunun tabaka ayrılması hasarına olan etkisi de tartışılmıştır.

The main objective of this study is to investigate the delamination damage of laminated composites subjected to low velocity impact. Three-dimensional finite element analyses are conducted to determine delamination area, shape and location. The impact analysis is performed by using the explicit finite element method which uses the central difference rule to integrate the equations of motion through the time. The composite structures are modeled using eight-node solid elements. The critical interfaces between layers is represented by special interface elements based on Cohesive Zone Method (CZM). A combined approach considering damage initiation and damage growth phases in a single model is utilized in this method. The linear elastic and linear softening behavior is applied for these interface elements. A stress based failure criterion and damage mechanics approach are used to simulate initiation and propagation of delamination, respectively. The analyses are divided into two main sections involving the validation of computational model and parametric studies. The eight-node brick element is verified without delamination damage. Then, the model with delamination damage is validated by experimental results from literature. The verified model is adapted for the curved laminates and a parametric study is conducted in order to determine the effect of curvature on the delamination damage. Additionally, the effect of element size on delamination damage is discussed.