Analysis of failure mechanisms associated with the unfolding failure in CFRP Profiles

Abstract

The rapid increase in the usage of composite materials in the aerospace sector demands their introduction into primary and secondary structures involving complex geometries. Considering one such application of highly curved composite laminates as stiffening agents (spars/rib configurations in airplanes), these laminates are subjected to delaminations under opening bending loads due to their relatively weak out of plane properties. This type of failure is termed unfolding failure, occurring when the laminate's loading attempts to open the curvature. This failure is typically associated with the interlaminar normal stress (INS) characterized by the interlaminar tensile strength (ILTS), generally obtained by a fourpoint bending test. The four-point bending test, originally designed to obtain ILTS in unidirectional curved composite laminates, provides an apparent strength when applied to non-UD curved laminates, exhibiting a thickness-dependance of the ILTS with thickness of the specimens. Several authors have associated this dependency with manufacturing defects or porosity, but results are not conclusive. Therefore, the aim of this project is to analyze both numerically and experimentally the failure mechanisms involved in unfolding failure in order to demonstrate a novel idea that the onset of unfolding failure is associated with intralaminar stresses instead of the interlaminar stresses. Preliminary analyses of existing experimental results have shown a good agreement with this new hypothesis that, in most cases, unfolding failure starts with an intralaminar failure which, under the presence of sufficiently high intralaminar stresses, propagates as a delamination. This failure mechanism is called induced unfolding. The current study is based on a set of new experimental results specifically oriented to observe the effect of intralaminar failures and establish a stress criterion for predicting the induced unfolding failure loads in curved laminates. Since the failure is catastrophic and difficult to observe precisely, the experimental results are complemented by numerical simulations using FEM models, in which crack onset and its subsequent propagation (including possible migration from layers to interfaces and vice-versa) are simulated using Phase Field and Cohesive Zone Modeling approaches. Correlation between experimental and numerical results provide important proof of existence of this novel failure mechanism. Furthermore, this study presents analytical methodologies within the framework of Finite Fracture Mechanics to determine the critical loads responsible for the onset of first transverse cracks in highly curved composite laminates considering different hypotheses. Both Phase Field and Finite Fracture mechanics combine energy and strength criteria in the analysis of unfolding failure.

El rápido aumento del uso de los materiales compuestos en el sector aeroespacial exige su introducción en estructuras primarias y secundarias con geometrías complejas. Al emplear laminados de materiales compuestos como elementos rigidizadores (configuraciones de largueros/costillas en aviones) aparecen zonas muy curvadas. Estas zona s están sujet a s a delaminaciones bajo cargas de flexión debido a sus propiedades relativamente débiles fuera del plano. Este tipo de fallo se denomina fallo por “ unfolding y se produce cuando la carga que actúa sobre el laminado intenta disminuir la curvatura. Este fallo se asocia normalmente con la tensión normal interlaminar (INS) caracterizada por la resistencia a la tracción interlaminar (ILTS), obtenida generalmente mediante un ensayo de flexión en cuatro puntos. El ensayo de flexión en cuatro puntos, diseñado originalmente para obtener la ILTS en laminados curvos de materiales compuestos unidireccionales, proporciona una resistencia aparente cuando se aplica a laminados curvos no unidireccionales, mostrando una dependencia de la ILTS con el espesor de las probetas. Varios autores han asociado esta dependencia con defectos de fa bricación o porosidad, pero los resultados no son concluyentes. El objetivo de este proyecto es analizar numérica y experimentalmente los me canismos de fallo que implican el fallo por unfolding con el fin de demostrar l a idea novedosa de que el inicio del fallo por unfolding está asociado a tensiones intralaminares en lugar de a tensiones interlaminares. El análisis de los resultados experimentales existentes ha mostrado una buena concordancia con esta nueva hipótesis de que, en la mayoría de los casos, el fallo por unfolding se incia con un fallo inralaminar que , en presencia de tensiones interlaminares suficientemente elevadas, se propaga como una delaminación. Este mecanismo de fallo se denomina unfolding inducido. El presente estudio se inicia con la realización y el análisis de un conjunto de ensayos experimentales orientados específicamente par a obser var el efecto de los fallos intralaminares en el fallo por unfolding y establecer un criterio tensional para predecir la carga de fallo por unfolding inducido en laminados curvos. Dado que el fallo es catastrófico y difícil de observar con precisión, los resultados experimentales se complementan con simulaciones numéricas mediante modelos de elementos finitos, en los que el inicio de la grieta y su posterior propagación (incluida la posible migración de las capas a las interfa s es y viceversa) se simulan mediante el modelo de Phase Field y la modelización de zonas cohesivas. Los resultados experimentales y numéricos muestran un acuerdo razonable con el mecanismo de fallo por unfolding inducido . Además, este estudio presenta metodologías analíticas en el marco de la Mecánica de Fractura Finita para determinar las cargas críticas responsables de la aparición de las primeras grietas transversales en laminados compuestos altamente curvados bajo dif erentes hipótesis. Tanto en los análisis basados en Phase Field como en mecánica de la Fractura Finita se combina n criterios de tecnicidad y resistencia en el análisis del fallo por unfolding.