Progressive Failure Analysis of Glass/Epoxy Composites at Low Temperatures

Применение композитов в космической и криогенной технике обусловливает необходимость определения механических характеристик армированных волокнами стеклоэпоксидных композитов. Однако в настоящее время отсутствуют результаты экспериментальных и расчетных исследований процесса разрушения стеклоэпоксидного ламината (с концентратором напряжений или без такового) в условияхтермомеханического статического нагружения при низких температурах. Предложена модель, позволяющая рассчитать процесс разрушения в квазиизотропных пластинах композита при низких температурах. Исходное значение предельной нагрузки определяется в упругой постановке. Нагрузка повышается пошагово, для каждого уровня рассчитываются напряжения и оценивается возможное разрушение с помощью соответствующего критеря прочности. Свойства материала в разрушенной части ламината варьируют согласно типу разрушения с использованием ненулевого коэффициента деградациижесткости. Далее выполняется модифицированная итерация Ньютона–Рафсона до момента сходимости. Расчет повторяется для каждого прироста нагрузки вплоть до полного разрушения с оценкой предела прочности. Предложенный метод обеспечивает хорошее согласование между расчетными и экпериментальными результатами при комнатной температуре и -60°С. Оценивается влияние низкой температуры на механизм разрушения пластин из композита.Використання композитів у космічній і криогенній техніці зумовлює необхідність визначення механічних характеристик армованих волокнами склоепоксидних композитів. Однак до сьогодні відсутні дані експериментальних і розрахункових досліджень процесу руйнування склоепоксидного ломіната (із концентратором напружень або без) в умовах статичного навантаження за низьких температур. Запропоновано модель, що дозволяє розрахувати процес руйнування в квазіізотропних пластинах за низьких температур. Початкова величина граничного навантаження визначається у пружній постановці. Навантаження збільшується ступенево, для кожного рівня розраховуються напруження й оцінюється можливе руйнування за допомогою критерію міцності. Властивості матеріалу в частині ламіната, де мало місце руйнування, варіюють згідно з типом руйнування з використанням ненульового коєфіцієнта деградації жорсткості. Далі виконується модифікована ітерація Ньютона–Рафсона до моменту збіжності. Розрахунок повторюється для кожного приросту навантаження аж до повного руйнування з оцінкою границі міцності. Запропонований метод забезпечує хорошу відповідність між розрахунковими й експериментальними результатами за температури -60°С та кімнатної. Оцінюється вплив низької температури на механізм руйнування пластин із композита

A New Method for Evaluation of Mechanical Properties of Glass/Epoxy Composites at Low Temperatures

Для расчета прочности однонаправленного композита при различных видах нагружения в условиях комнатной температуры и -60°C использованы аналитические модели, учитывающие микромеханические характеристики композитов. В отличие от стандартных методов, базирующихся на результатах испытаний образцов из однонаправленного композита, в данной работе измеряются микромеханические характеристики стекловолокон и эпоксидной матрицы. С помощью разных аналитических моделей выполнен расчет четырех различных модулей упругости и характеристик прочности при комнатной температуре и -60°C.С целью верификации результатов расчета проведены экспериментальные исследования. Показано, что наилучший расчет модулей упругости однонаправленного композита при комнатной и низкой температурах обеспечивает применение упругой модели. Получено хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными данными по механическим характеристикам этого материала при исследованных температурах.Розрахунок міцності однонаправленого композита при різних типах навантаження в умовах кімнатної температури і -60°С проводиться за допомогою аналітичних моделей з урахуванням мікромеханічних характеристик композита. На відміну від стандартних методів, що базуються на результатах випробувань зразків з однонаправленого композита, в даній роботі проводиться вимірювання мікромеханічних характеристик скловолокон і епоксидної матриці. За допомогою різних аналітичних моделей виконано розрахунок чотирьох різних модулей пружності і характеристик міцності за кімнатної температури і-60°С. Із метою верифікації результатів розрахунків проведено експериментальні дослідження. Показано, що найкращий розрахунок модулей пружності однонаправленого композита за кімнатної і низької температур забезпечує використання пружної моделі. Отримано хорошу відповідність між розрахунковими й експериментальними даними щодо механічних характеристик цього матеріалу при досліджуваних температурах

Effects of Free Edge Interlaminar Shear Stress on the Residual Stresses of Polymer Composites Using Hole Drilling Method

In the traditional hole drilling method the in-plane stresses are studied in detail and the interlaminar stresses are not taken seriously. The interlaminar stresses on the free edge of composite materials are important and can cause matrix cracking and delamination. Inserting holes in composite laminates causes free edges and it can induce interlaminar shear and normal stresses. In this research, using a finite element method and the simulated hole drilling method for isotropic and orthotropic materials, the three dimensional state of stresses are studied. The number of steps for hole drilling, the uniform and non-uniform pre-stresses, and uniaxial and biaxial stresses are considered. The results show if the number of drilling steps changes from one to four, the ratio of the maximum three-dimensional stresses to the induced uniaxial stress is changed. The mechanical properties of each layer, number of layers, and the stacking sequence are important parameters for laminated composites. Therefore, unidirectional plies under uniaxial and biaxial state of stresses are considered. Then, the interlaminar stresses for the cross-ply, angle-ply and quasi-isotropic laminated are studied. The effects of interlaminar stresses on the residual stresses on the point of measurement of strains by strain gauges are studied in detail

Resin Flow in Fiber Preformed by Vacuum Assisted Resin Transfer Molding with Flexible Tools

Vacuum assisted resin transfer molding, as a sub-branch of RTM is a method of manufacturing composite specimens. Considering the industrial development of this method, different modified techniques are designed to improve its performance. Among these techniques, using a half flexible mold is regarded as an important method. In this work, dominant equations of resin flow through the mold in polar coordinates are solved analytically. Based on this approach, closed-form solutions have been presented for different parameters such as thickness variation of preformed fiber, resin pressure, resin velocity and fiber volume fraction as functions of two variables, namely, time and the distance from injection port. After verification of the approach employed in this work, the results are presented. Important parameters influencing the quality and the rate production are studied in detail

Development of an Integral Method for Determination of Non-uniform Residual Stresses in Laminated Composites

A new method for determination of residual stresses in the bottom layers of laminated composites is developed. In this method the residual stresses are determined by performing a consecutive drilling of laminated composites in the center of the rosette and recording the strains after drilling each layer. The depth of the hole in each step is equal to the thickness of each layer and the maximum depth of driling is equal to the diameter of the hole. The integral method has been used for determination of the residual stresses because these stresses are distributed non-uniformly through the thickness of each layer. A computer program for simulation and calculation of the calibration factors of the incremental hole drilling process of laminated composites is presented. The calibration factors correlate the released strains to the residual stresses in each layer. The released strains in the incremental hole drilling process are divided in two parts. The first part is due to the released strain by increasing the holes depth and changing the geometry of the hole. The second part is due to the released strain from each layer by drilling the same layer. In this method, by calculating the calibration factors using the integration method and performing a finite element method, the residual stresses in each layer of laminated composites are calculated

Residual Stresses in Thermoplastic Composites: A Review

Applications of thermoplastic composites have developed extensively. The thermoplastic composites in comparison with the thermoset composites have many advantages. Thermoplastic composites can be melted and remolded many times. The duration of manufacturing process of these composites is short, producing very tough material, and the welding ability and multiple recyclings are their further advantages. The lack of knowledge in this group of composites is the main obstacle in their development. In this review the research works in the field of residual stresses in thermoplastic composites is presented. First, a literature survey on the available research on residual stresses on thermoplastics and thermoplastic composites reinforced with short fibers is compiled. Moreover a review on the available research on residual stresses on thermoplastic composites reinforced with long fibers is presented as well. The effects of the residual stresses on these composites are discussed. Experimental techniques for the measurement of residual stresses in thermoplastic composites and the methods for reducing the existing residual stresses are studied

Development of a strain-rate dependent progressive damage model for crash analysis of composite laminates

The present study aims at development of a macro-mechanical progressive dynamic damage model for evaluating the crash behavior of composite laminates under intermediate strain rate and implementation in explicit dynamic finite element code LS-DYNA. Construction of this model is including two important attributes of their mechanical behavior namely strain-rate dependency and progressive failure behavior which make it suitable for dynamic simulations. To create a rate dependent physical model as a powerful device, mechanical properties are fully characterized by performing tension and compression tests on 0°, 90° and ± 45° specimens at strain rates range from 0.001–100 s−1 using a high-speed servo-hydraulic tester. The experimental results show the rate dependency in the properties of all test specimens. Based on the results obtained, the empirical material models are proposed in terms of strain rate. Also, stress-based macro-mechanical dynamic failure criteria including different failure modes and corresponding material property degradation rules are established to model the progressive failure behavior. The developed models are programmed as a user defined subroutine in the non-linear code LS-DYNA. Experimental results on the quasi-isotropic specimens under high stroke-rate are used to validate the model's prediction. The model shows a good agreement with the experimental results. Note to the reader: On page 1263, the name of the author M.O. Jamal has been corrected in M.J. Omidi on January 26, 201

Analytical and numerical techniques for predicting the interfacial stresses of wavy carbon nanotube/polymer composites

By introducing a new simplified 3D representative volume element for wavy carbon nanotubes, an analytical model is developed to study the stress transfer in single-walled carbon nanotube-reinforced polymer composites. Based on the pull-out modeling technique, the effects of waviness, aspect ratio, and Poisson ratio on the axial and interfacial shear stresses are analyzed in detail. The results of the present analytical model are in a good agreement with corresponding results for straight nanotubes