Damage initiation and propagation in composite materials. Boundary element analysis using weak interface and cohesive zone models

Abstract

La presente tesis ha sido desarrollada en el Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales, Departamento de Mecánica de Medios Continuos, Teoría de Estructuras e Ingeniería del Terreno de la Universidad de Sevilla. El trabajo se centra en dos líneas de investigación del Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales:(i) El desarrollo de diferentes modelos de mecánica de la fractura y su i mplementación en algunos códigos basados en el Método de los Elementos de Contorno (MEC), usados como herramientas numéricas para modelar el problema elástico. En particular en esta tesis se implementaron: un modelo de interfaz lineal-elástica frágil (débil) y un modelo de zona cohesiva.(ii) El estudio de algunas propiedades mecánicas de materiales compuestos y de diferentes mecanismos de fallo y/o daño en escala macro, meso y micro que pueden presentarse en estos materiales y sus uniones adhesivas.El objetivo general y a largo plazo de esta tesis es contribuir al desarrollo de criterios de fallo para materiales compuestos y sus uniones. En los últimos años, muchos códigos de elementos finitos incluyen algunos Modelos de Zona Cohesiva (MZC) para resolver problemas de fractura. Los MZC se caracterizan por un campo de tensiones no-singular en los alrededores del vértice de la grieta permitiendo de esta manera un modelado eficiente del inicio y propagación de la grieta usando mallas (casi) uniformes. Por ello la motivación inicial del presente estudio fue desarrollar una herramienta numérica basada en el MEC que incluya algunos modelos de fractura no-singulares. Debido a que las no linealidades que surgen por el uso de MZC se encuentran localizadas en el contorno, el MEC es una herramienta adecuada para resolver problemas de fractura no-singulares.Las tareas desarrolladas para cumplir los objetivos generales se describen a continuación, dividido en dos partes:Desarrollo de formulaciones teóricas e implementación de códigos:· Modelos de Zona Cohesiva, para estudiar el inicio y crecimiento de grietas dentro de materiales homogéneos e interfaces, que incluyen:- Implementación adecuada de modelos cohesivos en un código 2D del MEC Galerkin Simétrico para el análisis de problemas planos.- Desarrollo y uso de diferentes variantes de algoritmos “arc-length”, para resolver problemas no lineales en presencia de modelos cohesivos.· Modelo de interfaz lineal-elástica frágil, para el estudio de inicio y crecimiento de grietas en interfaces, que requiere:- Implementación adecuada del modelo de interfaz lineal-elástica frágil en un código 2D del MEC de colocación para el análisis de problemas planos y axi-simétricos que permiten el uso de mallas no-conformes y zonas de contacto.- Desarrollo y uso de un algoritmo de solución secuencial lineal.- Mejora en el tiempo computacional mediante el uso eficiente de rutinas de solución de sistemas lineales en el código de MEC de colocación.· Aplicación del MEC para la solución de problemas 3D en materiales compuestos:- Desarrollo de expresiones generales y eficientes de la solución fundamental para materiales transversalmente isótropos y sus derivadas.- Implementación de la solución fundamental y sus derivadas en un código 3D de MEC de colocación Estudio de casos particulares relevantes de mecanismos de daño, en forma de inicio y crecimiento de grietas, en materiales compuestos a escala macro, meso y micro usando el modelo de interfaz lineal-elástica frágil, desarrollado:· Análisis de una grieta en una capa de adhesivo en una probeta DCB (macro escala).· Grietas de delaminación en laminados simétricos [0/90] (meso escala).· Ensayo de fragmentación de fibra única (micro escala).· Comportamiento micro-mecánico de grietas entre fibra y matriz bajo cargas transversales (micro escala).