Numerical and analytical models for the design of hybrid composite laminates with gradual failure behaviour under bending loads

Abstract

El presente trabajo describe el estudio reciente de los laminados de materiales compuestos híbridos sujetos a cargas de flexión, para luego usar este conocimiento en la creación de herramientas analíticas y numéricas que asisten el diseño de laminados híbridos con capacidad de falla gradual en un ensayo de flexión a cuatro puntos. Estas herramientas son inicialmente verificadas usando datos experimentales de laminados en los cuales se logró obtener falla gradual, pero la naturaleza de la falla y los mecanismos por los cuales se da, requieren un mayor entendimiento. El modelo en el cual se basa la herramienta analítica consiste en una adaptación de la solución analítica para ensayos de flexión a cuatro puntos en el cual el material es sometido a grandes deformaciones en combinación con la teoría clásica de laminados y mecánica de la fractura. Por otra parte, el modelo numérico utiliza elementos cohesivos para modelar tanto el daño intralaminar como el interlaminar, usando las propiedades de la resina para definir el comportamiento cohesivo interlaminar y usando una distribución de resistencias intralaminares según el modelo estadístico de Weibull. Una vez verificados los modelos, estos son usados para diseñar nuevos laminados híbridos optimizados, que reducen la cantidad de láminas ultradelgadas y por lo tanto, el número total de láminas requeridas para un mismo espesor, esto a su vez implica una posible reducción en el costo de fabricación y el tiempo de manufactura. Además, un laminado estándar (laminado no hibridado) es fabricado con fines comparativos; los ensayos en estos nuevos laminados validan la capacidad predictiva de ambas herramientas en casos falla gradual y falla repentina, tanto en laminados híbridos como estándar; y demuestran que es posible conseguir laminados híbridos con capacidad de falla gradual a un menor costo.

The present work describes the recent studies on hybrid composite laminates under bending loads; then, this knowledge is used to create analytical and numerical tools that assist the design of hybrid layups which can fail gradually in a four-point bending test. These tools are initially verified using experimental data from layups where such a gradual failure was achieved, but the nature of the failure process and failure mechanisms need additional study. The analytical tool is based on modifications from the analytical solution of large deflections of a beam in a four-point bending test together with the classical laminate and fracture mechanics theories. On the other hand, the numerical model is set using cohesive elements to model intralaminar as well as interlaminar damage, where the interlaminar strength is based on resin properties and the intralaminar strength is set based on Weibull statistical distribution. Once the models were verified, they are used to design new optimised hybrid layups that reduce the number of thin-plies required and therefore, the total amount of plies required for the same layup thickness; these imply a potential decrease in the cost of the layup and the time to be manufactured. One non-hybrid layup was also manufactured for baseline comparison, testing results on all these new layups exhibited the expected failure sequence and failure mechanisms; validating the accuracy of the tools to predict brittle and gradual failure in hybrid and standard composites; besides, it shows that it is possible to obtain hybrid layups with gradual failure capabilities using other configurations.