Failure behavior of composite laminates under-out-of-plane loads

Abstract

Bu çalışmada, dört nokta eğme deneyleri yardımıyla, düzlem dışı yüke maruz kompozit plakaların kırılma davranışı araştırılmıştır. Öncelikle, dört nokta eğme deneyleri Klasik Katman Teorisi (KKT) yardımıyla simüle edilmiştir. Bu amaçla, tek yönlü [?6]s olduğu kadar çok yönlü simetrik ve dengeli [?3/-?3]s kompozit plakalar dikkate alınmış ve Tsai-Wu, azami gerilme, azami gerinme, Hashin, Tsai-Hill, Hoffman, quadricsurfaces, modifiedquadricsurfaces ve Norris kırılma kriterlerinin izin verilebilir en yüksek moment resultant öngörüleri, elyaf açısı ?'nın fonksiyonu olarak elde edilmiştir. İkinci olarak, aynı deneyler Sonlu Elemanlar Metodu (SEM) yazılımı ANSYS v13.0 MechanicalAPDL'de (ANSYS Parametric Design Language) Solid185, katmanlı 3-B yapısal katı elemanlarla tekrar edilmiştir. SEM analizleri esnasında hazır olarak gelmeyen kırılma kriterleri (Tsai-Hill, Hoffman, quadricsurfaces, modifiedquadricsurfaces, Norris) ANSYS'e eklenmiş ve izin verilebilir en yüksek moment resultant öngörüleri, elyaf açısı ?'nın fonksiyonu olarak elde edilmiştir. Hesaplama maliyeti ile sonuçların kesinliği arasındaki dengeyi bulmak için yakınsaklık analizi yapılmıştır. Bir başka analiz de, yükleri statik kırılma modlarının katman ayrışması kırılma moduna baskın geleceği şekilde yerleştirmek için yapılmıştır. Bu amaçla, bir kullanıcı tanımlı kırılma kriteri (USERFC) ANSYS'e eklenmiş ve bir kırılma kriterinin değişik yükleme konumlarıyla ilgili öngörüleri Tsai-Wu ve azami gerilme kriterlerinin öngörüleriyle karşılaştırılmıştır. Simülasyon ve deneyler muhtemel kırılma modunun katman ayrışması değil statik kırılma modunun olduğu en uygun yükleme koşullarında gerçekleştirilmiştir. Son olarak, deney düzeneği SEM analizinin öngördüğü en iyi yükleme pozisyonlarına göre üretilerek deneyler yapılmıştır. 0°'den 90°'ye kadar her 15°'lik elyaf açısı için hem tek yönlü hem de simetrik dengeli plakalar için birden fazla test yapılmış ve model öngörüleri ile deney sonuçları arasındaki farklar tartışılmıştır.

In this study, failure behavior of fiber-reinforced composites under out-of-plane loads is investigated by means of four ? point bending tests. Firstly, four ? point bending tests are modeled analytically using the classical lamination theory (CLT). Considering unidirectional [?6]s as well as balanced symmetric [?3/-?3]s composite laminates , the maximum allowable moment resultants as a function of fiber orientation angle, ?, are obtained using Tsai-Wu, maximum stress, maximum strain, Hashin, Tsai-Hill, Hoffman, quadric surfaces, modified quadric surfaces and Norris failure criteria. Secondly, the same tests are simulated using the finite element method (FEM) in ANSYS with layered 3-D solid elements. In order to apply the failure criteria like Tsai-Hill and obtain the maximum allowable moment resultants as a function of fiber orientation angle, ?, according to these failure criteria, ANSYS Parametric Design Language is used Convergence analysis is carried out to find a balance between computational cost and accuracy of results. Another analysis is conducted for optimal positioning of the loads so as to ensure that static failure modes dominate delamination failure mode. For this purpose, the failure index results of a delamination criterion are compared with the results of Tsai-Wu and maximum stress failure criteria for different loading positions. A test setup is then constructed according to the predicted optimal support positioning and experiments are conducted for both unidirectional and symmetric balanced laminates having fiber orientation angles ranging from 0° to 90° with 15° increments. The differences between the model predictions and experimental results are discussed.