Fragmentation model for tensile behavior of intermingled hybrid composites and optimal mixing ratio

• Juan David Vanegas- Jaramillo ^[1] ; Luis Javier Cruz-Riaño ^[2] ; Iván David Patiño-Arcila ^[3]
  1. [1] Instituto Tecnológico Metropolitano

     Instituto Tecnológico Metropolitano

     Colombia

     
  2. [2] Universidad Pontificia Bolivariana

     Universidad Pontificia Bolivariana

     Colombia

     
  3. [3] Institución Universitaria Pascual Bravo

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• Localización: Revista Facultad de Ingeniería: Universidad de Antioquia, ISSN-e 2422-2844, ISSN 0120-6230, Nº. 103, 2022, págs. 96-115
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Modelo de fragmentación para comportamiento tensil de compuestos híbridos entremezclados y radio de mezclado óptimo
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  • español

    En este trabajo, se propone un modelo numérico de fragmentación para predecir la respuesta mecánica de compuestos híbridos entremezclados, unidireccionales bajo cargas de tensión. El modelo está basado en uno desarrollado previamente para compuestos unidireccionales considerando el número crítico de grietas de fibra y la corrección de la resistencia interfacial fibra-matriz. Se consideran los híbridos conformados por dos refuerzos y es evaluada la contribución energética de ambos durante el proceso de daño. Adicionalmente, la deformación unitaria pseudo-dúctil, la resistencia a fluencia y el nivel de degradación de cada refuerzo son estimados. El presente modelo es comparado con un modelo de falla progresiva y simulaciones micromecánicas por elementos finitos, obteniendo algunas similitudes en el comportamiento esfuerzo-deformación. Los resultados muestran que tanto el sub-compuesto de baja elongación como el de alta elongación experimentan una respuesta lineal a tensión donde las fibras permanecen intactas (IF), y fragmentación (FM) donde la rotura ocurre. El fenómeno de deslizamiento/separación (SS) surge en uno de los sub-compuestos cuando la saturación de grietas es alcanzada, y la falla ocurre cuando el otro experimenta saturación de grietas. Los resultados también muestran que los fenómenos IF, FM y SS están condicionados por el radio de mezcla de fibra, α. El modelo permite estimar el valor óptimo de α para el cual la máxima deformación unitaria pseudo-dúctil y efecto híbrido son alcanzados.

  • English

    A numerical fragmentation model is proposed to predict the mechanical response of intermingled, unidirectional hybrid composites under tensile loads. The model is based on a previously developed for unidirectional composites considering the critical number of fiber breaks and the correction of the fiber-matrix interfacial strength. Hybrids comprising two reinforcements are considered, and the energetic contribution of reinforcements is evaluated during the damage process. Additionally, the pseudo-ductile strain, yield strength, and the level of degradation of each reinforcement are estimated. The present model is compared with a progressive failure model and micromechanical finite element simulations, obtaining some similarities in the stress-strain behavior. Results show that both low elongation and high elongation fiber sub-composite experience a linear tensile response where fibers remain intact (IF), and fragmentation (FM) where breaking appears. The sliding/separation phenomenon (SS) occurs in one of the sub-composites when crack saturation is obtained, and failure occurs when the other one undergoes the crack saturation. Results also show that the IF, FM, and SS phenomena are conditioned by the fiber mixing ratio, α. The model allows estimating the optimal value of α for which the highest pseudo-ductile strain and hybrid effect are reached.