FINITE ELEMENT MODELLING OF THE DAMAGE AND FAILURE IN FIBER REINFORCED COMPOSITES (OVERVIEW)

The failure and the analysis of composite structures can be various. The failure modes can be investigated separately, but these modes generally arise together (e.g.: matrix cracking and delamination). Due to this experimental observation the main problem is to construct models that can follow more than one of the failure modes. To solve this problem the most proper method is the finite element method (FEM), because of its simplicity. The aim of this paper is to summarize a few publications about the damage and failure of composite materials and structures. The publications were grouped according to the mode of failure, the aim is to give a short description about the finite element modelling of the given failure mode. The models were reconstructed using the finite element code COSMOS/M

STRESS COMPUTATION ALGORITHM FOR TEMPERATURE DEPENDENT NON-LINEAR KINEMATIC HARDENING MODEL

In this work, we derive a stress algorithm for a non-linear kinematic hardening model. The algorithm is implemented in a FEM code. On a simple shear test, we compare the numerical results with the analytical ones

APPROXIMATE INTERLAMINAR FRACTURE ENVELOPES FOR UNIDIRECTIONAL E-GLASS/POLYESTER COMPOSITE

In this paper an experimental study is performed in order to determine an approximate interlaminar fracture envelope of a unidirectional E-glass polyester composite. First, the pure mode-I fracture toughness is determined by using the standard double-cantilever beam (DCB) specimen. Second, the pure mode-II toughness of the material is evaluated by means of the over-notched flexure (ONF) specimen. Finally, the mixed-mode toughness is determined with the aid of the over-leg bending (OLB) coupon. Both the initiation and propagation fracture toughness are determined within the extended ranges of crack length. The fracture envelopes are determined by using the steady-state values of the fracture toughness at crack initiation and propagation. Two criteria are used to obtain the envelopes: the traditional power expression and the physically more acceptable criterion by Williams. The results are compared with previous envelopes and similarity is established

ANALYSIS OF THE INTERLAMINAR CRACK INITIATION IN MIXED-MODE I+II COMPOSITE FRACTURE SPECIMENS

The interlaminar crack initiation in mixed-mode specimens was investigated through two- and three-dimensional finite element models. Elastic analysis was conducted to understand the crack initiation in glass-fibre/vinylester composites. The MMF and CLS specimens were used for the two-dimensional plane strain models. Simplified 3D micro-mechanical models were constructed to investigate the effect of the fibres on the stress distribution based on the square fibre arrangement. The mixed-mode conditions were produced by changing the ratio of the crack opening and crack shearing displacement components. It was concluded that the fibre/matrix interface plays critical role in the direction of the crack propagation path. The propagation path was described by the crack angle determined by the peak stresses in the crack front and in the fibre/matrix interface. The critical fibre/matrix interface stress was also determined and found to increase with the mode-I contribution. The tensile stresses ahead of the crack-tip were examined and experienced as increasing with the mode-I contribution

STABILITY OF ASYMMETRICALLY BUILT AND LOADED MULTI-LAYERED RECTANGULAR SANDWICH-TYPE PLATES (FEM SOLUTIONS)

The present report gives a review on the formulation of the mechanical/mathematical models of the stability of asymmetrically built and loaded rectangular multi-layered sandwich-type plates with (constructionally) orthotropic hard and transversally isotropic soft layers. The corresponding governing equations, boundary conditions and method of numerical (FEM) solution are given. The report shows the stability and post-buckling behaviour of asymmetrically compressed five-layered rectangular plate with Navier-type boundary conditions

Kompozit anyagok törésmechanikai és dinamikai vizsgálata = Fracture mechanical and dynamical investigation of composite materials

A kutatás során a repedések, bemetszések kompozit anyagok mechanikai tulajdonságaira gyakorolt hatását vizsgáltuk. Törésmechanikai szempontból kifejlesztésre került egy olyan teszt, amely lehetővé teszi a vegyes I/III-as, II/III-as és I/II/III-as módusú rétegközi törés vizsgálatát. A kísérleti eredmények feldolgozásához analitikus modellek készültek, amelyek pontosságát végeselem modellek segítségével ellenőriztük. Megvizsgáltuk a III-as módusú repedésfeszítő erő függését a geometriai paraméterektől. A repedési folyamat stabilitásának vizsgálatára kidolgozásra került egy kísérleti alapú kritérium, amelyet számos próbatest típuson alkalmaztunk, illetve hasznosságát bemutattuk. Megépült a vegyes módusú hajlító próbatest befogója (mixed-mode bending), amelyet eredményesen alkalmaztunk kompozit próbatestekre. Elvégzésre került a repedéssel ellátott kompozit rudak rezgésmérése, amely során mérés alapján meghatároztuk a sajátfrekvenciákat és lengésképeket. Analitikus modellekkel kimutattuk, hogy zárt repedés esetén a rúd delaminált szakaszán periodikus erővel nyomott/húzott rudak rezgéseiről van szó. A Kirchhoff-féle lemezelmélet felhasználásával meghatároztuk a delaminált lemezekben ébredő rétegközi nyírófeszültségeket leíró differenciálegyenlet-rendszert és megoldottuk azt egy egyszerűen alátámasztott, rugalmas lemezre. Megmutattuk, hogy lemezek esetében a rezgés során szintén periodikus erővel húzott/nyomott lemezekről van szó. | In this research project the effect of cracks and delaminations on the mechanical properties of composite materials have been investigated. A novel fracture mechanical system has been developed which makes it possible to measure the mixed-mode I/III, II/III and I/II/III interlaminar fracture toughness of composites. To reduce the experimental data analytical models have been developed, their accuracy has been verified by finite element models. The influence of geometrical parameters on the mode-III energy release rate has been analyzed. A novel experiment-based criterion has been developed for the crack propagation in composite specimens, the criterion has been applied to several configurations, its applicability has been demonstrated. The rig of the mixed-mode bending specimen has been constructed, which has been successfully applied to composite coupons. We have performed the vibration analysis of delaminated composite beams, i.e. we have determined the eigenfrequencies and mode shapes of the beams. It has been shown by using analytical models that in the case of closed delamination in the cracked part, the beams are loaded by periodic tensile and compressive forces. Using the Kirchhoff plate theory the governing differential equations of the interlaminat shear stresses have been derived and solved for a simply-supported elastic plate. It has been highlighted that the vibration of delaminated plates the cracked part involves periodic tensile and compressive forces

Szálerősített kompozitok tönkremeneteli folyamatainak végeselemes modellezése = Finite Element Modelling of Failure Processes in Fiber Reinforced Composites

A kutatás a szálerősített polimer mátrixú kompozitokban végbemenő törési és károsodási folyamatokat vizsgálta, különös tekintettel a végeselemes modellek alkalmazására. Az elméleti, a numerikus és a kísérleti módszerek a rétegszétválás, a repedés-terjedés jelenségeit, a repedés megindulását okozó kritikus erőt, a törési szívósság számítását valamint a száláthidalás szerepének tisztázását célozták. A repedésterjedés I-es és kevert I/II módját vizsgáltuk. A repedésterjedés leírására új analitikus modelleket fejlesztettünk ki az elméleti vizsgálatok során. Ezek az Euler- és a Timoshenko-féle rúdelméletre épülnek, továbbá a Winkler-, valamint a Pasternak-féle ágyazási modelleket alkalmazzák. Az analitikus modellek jóságának igazolására különféle alakú próbatestekkel végeztünk kísérleteket. Ezekben mátrix anyagként poliésztert és epoxi gyantát használtunk, míg az erősítő anyag üvegszál és karbonszál volt. A kevert I/II módú repedésterjedés vizsgálatára egy újszerű próbatest típust, az úgynevezett over-leg bending (OLB) próbatestet fejlesztettünk ki. Az egyirányú szálakkal erősített polimer kompozitokban a repedések terjedése közben megjelenő száláthidalások hatásának modellezésére szintén kidolgoztunk egy újfajta módszert. | This research was directed to the investigation of failure and damage processes in fibre reinforced polymer composites with special attentions for using finite element models. The theoretical, numerical and experimental methods were focused on the phenomena of de-lamination, of crack propagation, of critical force to crack opening, of determining the fracture toughness, of the role of fibre bridging in the crack opening process. Fracture mode I and mixed mode I/II were studied during crack opening. The theoretical investigations resulted new analytical models to represent the crack propagation. These models are based on Euler and Timoshenko beam theories and apply Winkler and Pasternak foundation models. To verify the analytical models, various form of specimens were applied in the experimental works. Polyester and epoxy resins were applied as matrix material, while glass fibres and carbon fibres were the reinforcing materials. A novel type of specimens, so called over-leg bending (OLB) specimen was developed to study the mixed-mode I/II crack opening behaviour. A novel method was also developed to study the fibre bridging phenomenon during crack propagation in UD fibre reinforced polymer composites

Az anyagtudomány és a mechanika szerepe az anyagok és szerkezetek élettartam növelésében = Role of material science and mechanics in lifetime extension of materials and components

A kutatómunka során kifejlesztett, pontosított rúdmodell esetén meghatározásra került a Pasternak-féle ágyazás rugómerevségét. A rúdmodell a középsíkban repedéssel ellátott kompozit rudak rugóállandójára ad pontosított képletet. A különféle korrekciók vagy a próbatest vastagság menti, vagy annak csúsztató rugalmassági moduluszától függnek. A Pasternak-féle rugók esetén a merevség inkább a vastagság menti modulusszal hozható kapcsolatba. A rugók merevségét kombinált végeselem-analitikus módszerrel lett kiszámolva. Az un. DCB próbatestre egy olyan végeselem modellt lett szerkesztve, amelyben a csúsztató rugalmassági modulusz értékét végtelenhez tart. Ily módon kiküszöbölhető azok a hatások, amelyek a csúsztató rugalmassági modulusszal kapcsolatosak Ezután az analitikus modell eredményét egy konstans paraméter beállításával a végeselem modell eredményéhez lett igazítva. A számítást kis és nagy hajlító rugalmassági moduluszú, szén- és üvegszál erősítésű kompozit anyagokra is el lett végezve. Az említett konstans paraméter választott értéke minden esetben nagyon jól illeszkedett a végeselem eredményeihez. A Pasternak-féle rugók merevségének ismeretében a globális módszert még pontosabbá lett. A módszer előnye, hogy pontos és viszonylag egyszerű. | Using the previously developed refined beam model the stiffnes of the Pasternak foundation was determined. The beam model provides an improved compliance expression for delaminated composite beams. The different corrections of the compliance and the strain energy release rate depend on the shear and transverse modulus of the material. It was shown that the Pasternak foundation can be related to the transverse modulus. The stiffness of the Pasternak foundation was determined by a combined analytical-finite element method. This was carried out by using a special DCB specimen of which shear modulus tended to infinity. This way those effetcs, which are related to the shear modulus can be eliminated. Then the value of a constant parameter was chosen in order to reach the best agreement with the finite element model. The computation was performed even for high and low modulus glass and carbon fiber reinforced materials and it was found that the chosen value of the constant satisfies all the cases studied. Using the Pasternak foundation stiffness the global mode decomposition method was improved. The advantages of the method are that it is accurate and easy to apply