Numerička simulacija popuštanja višeslojnih kompozitnih ploča pri tlačnom opterećenju nakon udarnog opterećenja

master's thesis

• Title (english): Numerical simulation of the compression after impact failure of laminated composite plates
• Author: Domagoj Grubelić
• Mentor: Darko Ivančević (mentor)
• Committee member: Aleksandar Sušić (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Darko Ivančević (član povjerenstva)
• Committee member: Ivica Skozrit (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2022-07-20, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mechanical Engineering; General Mechanical Engineering (Construction)

Abstract

Upotreba kompozitnih materijala sve je popularnija pri konstruiranju zbog njihovih iznimnih mehaničkih svojstava i male mase naspram tradicionalnih konstrukcijskih materijala. Njihova anizotropnost omogućava konstruiranje željenih mehaničkih svojstva u željenim smjerovima. Zbog svoje krhkosti izrazito su osjetljivi na udarna oštećenja, odnosno pojavu jedva vidljivih udarnih oštećenja u obliku delaminacija. Udarna oštećenja uzrokuju značajno smanjenje mehaničkih svojstava materijala, a određivanje preostalih vrijednosti vrši se eksperimentalnim ispitivanjima. Od svih mehaničkih svojstava kompozita kao posljedica udara najviše degradira tlačna čvrstoća materijala. Mehanička svojstva određuju se eksperimentalnim ispitivanjima, a s obzirom na to da takva ispitivanja oduzimaju mnogo vremena i zahtijevaju skupu ispitnu opremu, cilj je razviti numeričke modele koji bi smanjili broj potrebnih ispitivanja i ispitnih uzoraka.
U ovom radu predstavljeni su numerički modeli za modeliranje udara pri malim brzinama i tlačnog ispitivanja nakon udara korištenjem materijalnih modela i modela oštećivanja dostupnih u komercijalnom programskom paketu za numeričku analizu metodom konačnih elemenata Abaqus®. Ispitni laminat modeliran je kao trodimenzionalna ljuska, a inicijacija oštećenja modelirana je pomoću implementiranog 2D kriterija popuštanja prema Hashin-u. Ispitivanja preostale tlačne čvrstoće nakon udara provedena su na tri rasporeda slojeva s različitim brojem međufaznih područja za razvoj delaminacija. Kohezivna zona između slojeva s različitom orijentacijom vlakana modelirana je korištenjem svojstva interakcije između površina (kohezivne površine) i kohezivnih elemenata.
Svi korišteni kriteriji oštećivanja, konačni elementi i postupci modeliranja detaljno su objašnjeni. Nakon analize i usporedbe rezultata izvedeni su konačni zaključci o provedenom radu.

Abstract (english)

Use of composite materials is increasing everyday in designing process due to their exceptional mechanical properties and low mass in comparison with traditional structural materials. Their anisotropic behavior allows design of mechanical properties in a desired direction. Due to their brittleness, composites are extremely sensitive to impact induced damage known as barely visible impact damage in form of delaminations. Impact damage causes drastic reduction in values of mechanical properties and determination of residual values is done experimentally. Of all mechanical properties, compressive strength is the one that degrades the most. Mechanical properties are determined using experimental tests, because these tests take a lot of time and require expensive testing equipment the goal is to develop numerical models which would decrease the number of required experimental tests and testing samples.
This Master thesis will introduce numerical models for modeling the problems of low velocity impact and compression after impact tests using material and damage models available in commercial software for finite element method analysis Abaqus®. Tested composite panel is modeled as three-dimensional shell and damage initiation is described using implemented 2D Hashin failure criteria. Testing of residual compressive strength after impact is made for three different layups with various numbers of delamination interfaces. Cohesive zone between the plies with different fibre orientations is modeled using interaction properties between the surfaces (cohesive surfaces) and cohesive elements.
All the initiation criteria, finite element types and modeling approaches are explained in detail. After analysis and comparison of obtained results, the final conclusions about the work are given.

• Keywords: GFRP kompozit; udar pri malim brzinama; delaminacija; kohezivna zona; tlačno ispitivanje nakon udara; preostala tlačna čvrstoća
• Keywords (english): GFRP composite; low velocity impact; delamination; cohesive zone; compression after impact; residual compressive strength
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:647147
• Study programme: Title: Mechanical Engineering; specializations in: Design, Process and Energy Engineering, Production Engineering, Engineering Modelling and Computer Simulation, Marine Engineering, Industrial Engineering and Management, Materials Engineering, Mechatronics and Robotics, Autonomous Systems; Course: Engineering Modelling and Computer Simulation; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva (magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2022-07-13 13:32:33