Characterization of the translaminar cohesive law
- Autores: Adrián Ortega Novillo
- Directores de la Tesis: Emilio Vicente González Juan (dir. tes.), Pere Maimí Vert (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Girona ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Lars Berglund (presid.), Josep Costa i Balanzat (secret.), Xiaodong Xu (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnología por la Universidad de Girona
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
[ENG] The outstanding stiffness and strength properties, with respect to their weight, of fibrereinforced polymers have led to an increase of their usage in structures that needed a weight reduction. This has been specially the case of the aerospace industry, where the use of light materials has a significant effect on the fuel consumption of aircraft structures, resulting in two direct benefits: first reducing the economic costs of flights, and second, reducing the gas emission that causes the greenhouse effect.
When a fibre-reinforced composite laminate is subjected to traction or compression, it develops a relatively large Fracture Process Zone where material toughening mechanisms such as matrix cracking, fibre-bridging and fibre pull-outs take place. The damage onset and damage propagation are well defined from a cohesive model point of view, although no standard procedure has been yet developed to characterize the translaminar Cohesive Law. The present Ph.D. thesis proposes an objective inverse method for obtaining the Cohesive Law from a single Compact Tension test.
First, the usage of the Compact Tension specimen for determining the fracture properties of orthotropic laminates has been studied. As a result, a Stress Intensity Factor function has been developed, for the mentioned geometry, applicable to a wide range of materials orthotropies. Additionally, some test recommendations are given taking into account the material properties.
Second, a semi-analytic model has been developed for a Compact Tension specimen subjected to a controlled displacement and corresponding load within a cohesive model framework. The model is able to capture the material response while the Fracture Process Zone is being developed, obtaining the evolution of multiple variables such as the crack opening and the cohesive stresses, for any given arbitrary Cohesive Law shape.
Third, with the aid of the aforementioned model, an algorithm has been developed capable of obtaining the translaminar Cohesive Law from a single Compact Tension test. The methodology to solve the inverse problem consists on defining a piecewise unknown Cohesive Law. The segments widths and slopes are found in order to best fit the experimental curve.
Last, the proposed inverse method has been used to perform an in-depth discussion of the Cohesive model. First, the Cohesive Law has been measured for several interply hybrid laminates, in order to study the influence of the stacking sequence on the resulting curve. Secondly, the method has been applied to show the invariability of the obtained Cohesive Law for different geometries and specimen sizes.
[CAT] L’excel:lent rigidesa i resistència, respecte al seu pes, dels polímers reforçats amb fibres han portat a un augment del seu ús en estructures que necessiten una reducció de pes. Aquest ha estat especialment el cas de la indústria aeroespacial, on l’ús de materials lleugers afecta significativament el consum de combustible dels avions, resultant en dos avantatges directes: primer la reducció dels costos económics dels vols, i segon, la reducció de l’emissió dels gasos causants de l’efecte hivernacle.
Quan un laminat compost de polímer reforçat amb fibres és sotmès a tracció o compressió, aquest desenvolupa una Zona de Procés de Fractura relativament gran, on mecanismes d’enduriment com ara l’esquerdament de la matriu, bridging i pull-out de fibres tenen lloc. La iniciació i propagació del dany estan ben definits des del punt de vista del model cohesiu, tot i que actualment encara no hi ha cap procediment estàndard per caracteritzar la Llei Cohesiva translaminar. La present tesi doctoral proposa un mètode invers per a l’obtenció de la Llei Cohesiva utilitzant unicament un assaig de la proveta Compact Tension.
En primer lloc, s’ha estudiat l’ús de la proveta Compact Tension per determinar les propietats de fractura de laminats ortotrópics. D’aquest estudia ha sorgit una funció del Factor d’Intensitat de Tensions, aplicable a una àmplia gamma de materials ortotrópics. A més, s’han donat algunes recomanacions per a la correcta realització de l’assaig, tenint en compte les propietats del material.
En segon lloc s’ha desenvolupat un model semi-analític capaç de reproduir el comportament d’una proveta Compact Tension sotmesa a un desplaçament controlat i a una càrrega corresponent, dins el marc del model cohesiu. El model és capaç de capturar el comportament del material mentre es desenvolupa la Zona de Procés de Fractura, així com obtenir l’evolució de múltiples variables com ara l’obertura d’esquerda i les tensions cohesives, per a qualsevol forma de la Llei cohesiva donada.
En tercer lloc, amb l’ajuda del model anteriorment esmentat, s’ha desenvolupat un algoritme capaç d’obtenir la Llei cohesiva d’un laminat, a partir d’un únic assaig de la proveta Compact Tension. La metodologia per resoldre el problema invers consisteix a definir la Llei cohesiva a mesurar com una funció definida a trossos, composta per trams lineals. L’ample i el pendent de cada tram es varia fins que la corba força-desplaçament s’ajusta millor a la mesurada en l’assaig.
Finalment, el mètode proposat del problema invers s’ha utilitzat per dur a terme una discussió del model cohesiu. En primer lloc, la Llei Cohesiva de diferents laminats híbrids ha estat mesurada, per tal d’estudiar la influència de la seqüència d’apilament en la forma de la Llei Cohesiva obtinguda. En segon lloc, el mètode ha estat aplicat per mostrar la invariabilitat de la Llei cohesiva obtinguda de diferents geometries i mides de provetes.
