Modelo de predicción del fallo en materiales compuestos bajo cargas transversales a las fibras. Interacción entre los despegues de interfase fibra-matriz y daño en la matriz

Abstract

The undergoing massive use of composite materials in primary aircraft structures is leading the need for a profound understanding of the damage and failure mechanisms of such heterogeneous materials. In this thesis, both inter-fibre debonding and matrix failure mechanisms at a micromechanical scale for 90◦ laminates are considered. To meet this objective, the fibre interface and matrix behaviour were implemented into a user material subroutine (UMAT) of the Abaqus commercial finite element program; post-critical crack instabilities were captured using a sequential linear algorithm programmed in Python. Studies on a single fibre model were carried out considering the influence of mesh topology, matrix failure criteria, critical energy levels and biaxial stress states on the overall crack growth pattern; results indicate greater amount of dissipated energy for increasing values of the matrix critical strain energy density whilst the critical stress σ ∞ initiating the failure mechanism remains unchanged. A stress-based failure criteria for the matrix shows in most cases a matrix-initiated failure mechanism around the fibre circumference and the appearance of spurious crack branching. Multifibre studies on various configurations of [0,90n ] s symmetric laminates show a progression of aligned debondings and matrix cracks that coalesce into a transverse crack through the laminate thickness before the delamination process starts. Main transverse crack branching is observed for the integrated multiscale model when the matrix crack front reaches the bottom face of a fibre interface.

El uso extendido de los materiales compuestos en estructuras aeronáuticas primarias ha llevado a la necesidad de entender a mayor profundidad los mecanismos de fallo en dichos materiales heterogéneos. En esta tesis, se considera tanto el fallo inter-fibra como el de la matriz en la escala micromecánica para las láminas de 90◦ bajo carga transversal. Para alcanzar este objetivo, el comportamiento de la interfase fibra-matriz y el de la matriz se han implementado en una subrutina de material (UMAT) del programa comercial de elementos finitos Abaqus; las inestabilidades post-pico se capturan usando el método secuencial lineal programado en Python. Se han realizado diversos estudios en un modelo unifibra considerando la influencia de la topología del mallado de la matriz, el criterio de fallo de la matriz, niveles de densidad de energía críticos y estados de tensión biaxiales sobre el camino de propagación de la grieta; los resultados indican una mayor energía disipada para valores en incremento de la densidad de energía crítica mientras que la tensión crítica σ ∞ que inicia el mecanismo de fallo se mantiene invariante. Los criterios de fallo para la matriz basados en tensiones muestran, en la mayoría de casos que el mecanismo de fallo empieza en la matriz alrededor de la circunferencia de la fibra, con la aparición de bifurcaciones espurias de grieta. Los estudios realizados en modelos multifibra para distintas configuraciones de laminados [0,90n ] s , demuestran la capacidad de los criterios de fallo en producir una grieta transversal que atraviesa todo el espesor de la lámina antes de empezar el proceso de delaminación. El modelo de predicción es capaz de reproducir la bifurcación de la grieta transversal principal en los modelos integrados multiescala, cuando el frente de grieta en la matriz alcanza el borde inferior de la interfase de una fibra.