Phase-Field Modeling of Damage and Fracture in Fiber Reinforced Composites
- Autores: Aamir Dean
- Directores de la Tesis: Jose Antonio Reinoso Cuevas (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2020
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 118
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Antonio Rodríguez Martínez (presid.), Israel García García (secret.), Mauro Corrado (voc.), Guadalupe Vadillo Martín (voc.), Elsadig Mahdi (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad de Sevilla
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
- español
Los procesos de fractura en materiales compuestos de matriz polimérica suelen ser significativamente diferentes con respecto a materiales tradicionalmente empleados en aplicaciones ingenieriles (metales y aleaciones metálicas, principalment) presentando características propias que los hacen notablemente complejos. En este contexto, con referencia a las evidencias experimentales, existen varios tipos de mecanismos de fractura en estos materiales, los cuales pueden desarrollarse durante el tiempo de servicio de las estructuras correspondientes. Cada uno de estos mecanismos puede iniciarse y propagarse independientemente. Sin embargo, en la práctica, actúan sinérgicamente y pueden potencialmente aparecer de forma simultánea. Las dificultades para comprender y predecir cómo estos diferentes mecanismos de fractura pueden propagarse y coalescer, dando lugar al fallo estructural del componente, obligan el uso de factores de seguridad significativamente elevados, necesitando también un alto número de resultados experimentales para llevar a cabo las certificaciones requeridas por las autoridades competentes. Teniendo en cuenta que las investigaciones experimentales relativas a los materiales compuestos de matriz de base polimérica pueden ser limitadas, muy costosas y dilatadas en el tiempo, el objetivo de esta investigación es desarrollar modelos fenomenológicos a nivel macroscópico para modelizar los procesos de fractura en estos materiales según la metodología denominada Phase- Field (PF). En primer lugar, se desarrolla un modelo de PF trasversalmente isótropo para la fractura dúctil de materiales compuestos poliméricos reforzados con fibras corta (SFRPs). Posteriormente, se propone un modelo de múltiples PF con el fin de capturar la fractura intra-laminar basado en la teoría de fallo de Puck para materiales compuestos poliméricos reforzados con fibra larga (LFRPs). En esta tesis se presentan la formulación teórica, el tratamiento algorítmico correspondiente y los detalles numéricos de implementación de los modelos propuestos. El rendimiento de los modelos se evalúa mediante un conjunto de simulaciones numéricas estándar que demuestran su aplicabilidad y robustez. Además de los aspectos fundamentales de estos modelos propuestos, se analiza con especial profundidad el uso del modelo multi PF para la simulación numérica de la migración de delaminación en LFRP laminados. Para este propósito, se propone un procedimiento de modelado FE consistente que integra el modelo de campo de múltiples fases para fractura intra-laminar con un Modelo de Zona Cohesiva (CZM) para inter-laminar.
- English
The damage and fracture behavior of Fiber Reinforced Polymers (FRPs) is quite complex and is different than the failure behavior of the traditionally employed metals. There are various types of failure mechanisms that can develop during the service life of composite structures. Each of these mechanisms can initiate and propagate independently. However, in practice, they act synergistically and appear simultaneously. The difficulties that engineers face to understand and predict how these different failure mechanisms result in a structural failure enforce them to use high design safety factors and also increases the number of certification tests needed. Considering that the experimental investigations of composites can be limited, very expensive, and time-consuming, it is the aim of this research to develop sophisticated phenomenological material models based on the Phase-Field (PF) approach to fracture for the virtual assessment of damage and fracture of FRPs. First, an anisotropic PF model for ductile fracture of Short Fiber Reinforced Polymers (SFRPs) is developed. Then, a multi PF model based on the Puck theory of failure is proposed for Long Fiber Reinforced Polymers (LFRPs). The theoretical formulation, corresponding algorithmic treatment, and numerical implementation details of the proposed models are presented. The performance of the models is assessed via a set of standard numerical simulations demonstrating their applicability and robustness. Focusing on complex practical applications, the newly developed multi PF model is employed for the numerical simulation of delamination migration in laminated LFRPs. For this purpose, a consistent FE modeling procedure is proposed integrating the multi phase-field model for intra-laminar fracture with a Cohesive Zone Model (CZM) for inter-laminar.
- español
