Low-velocity impact damage in fibre metal laminates - a study of the impact resistance and metal-composite debonding

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Kanerva, Mikko, Prof., Tampere University of Technology, Finland
dc.contributor.author Pärnänen, Tuomas
dc.date.accessioned 2017-01-05T10:00:41Z
dc.date.available 2017-01-05T10:00:41Z
dc.date.issued 2016
dc.identifier.isbn 978-952-60-7188-6 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7189-3 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/24078
dc.description.abstract Fibre metal laminates (FMLs) refer to a hybrid material concept that combines layers of thin metal sheets and fibre-reinforced plastics. This thesis concentrates on the damage characteristics of FMLs subjected to collision-type low-velocity impacts. The damage characteristics are studied by drop-weight impact and quasi-static indentation experiments and using finite element simulations. The work is divided into two parts. In Part I, specific interest is laid on the impact resistance of AZ31B-H24 magnesium alloy-based FMLs. The results indicate a disadvantage for the magnesium alloy, as the impact energy limits for metal cracking are significantly lower when compared to the state-of-the-art FML structure Glare 5 with 2024-T3 aluminium alloy layers. The main reason for the difference in cracking energies is concluded to result from the metal tensile response over the plastic region. The lower rate of strain hardening for the magnesium alloy enhances the local strain accumulation over the impact point, which leads to premature cracking. In addition, the impact damage process is experimentally studied in Part I by using a wide range of impact energies. The purpose of the damage process study is to gain an overall view of the impact damage evolution in FMLs. Finally, impacts on FMLs are studied via finite element simulations. Part II focuses on the debonding occurring in FMLs during impact loading, i.e. on the damage process along the metal-composite interface. The study reveals that the debond at the lowermost metal-composite interface forms in two stages. During the impactor loading phase, a debond tends to form as a fracture mode II cracking caused by out-of-plane shear forces. As the impactor rebound phase follows, the linear-elastic composite layers force the FML to straighten. On the contrary, the lowermost metal sheet has deformed plastically and tends to maintain its deformed shape. The discrepancy in the material response leads to peeling forces and consequently to fracture mode I dominated debonding. In the current literature, the debonding along the metal-composite interface is not commonly taken into account in the impact damage modelling of FMLs, and at times the debonding by shear forces is only considered. The energy absorption by the debonding may not be significant in the impact process, but the results of this thesis indicate that the debonding substantially affects deformations and the post-impact strain state. A realistic prediction of the post-impact damage state is especially important for successful investigations of damage tolerance. Therefore, a modelling methodology that takes into account the debonding with the described two-stage formation process defined in this thesis is suggested for future models. en
dc.description.abstract Lujitemuovi-metalli-yhdistelmälaminaatit (jatkossa laminaatit) ovat rakenteita, jotka muodostuvat ohuista metalli- ja lujitemuovikerroksista. Tässä väitöskirjassa tutkitaan laminaattien vaurioitumista hitaiden törmäystyyppisten iskujen vaikutuksesta. Iskuvaurioitumista tutkitaan pudotus- ja painamiskokein sekä elementtimenetelmään perustuvilla simulaatioilla. Työn ensimmäisessä osassa tutkitaan erityisesti AZ31B-H24 magnesiumkerroksia sisältävien laminaattien iskunkestävyyttä. Tulosten mukaan laminaatin iskunkestävyys on 2024-T3 alumiinikerroksia sisältävää Glare 5 -laminaattia heikompi. Iskunkestävyyden lisäksi ensimmäisessä osassa tutkitaan iskuvaurioiden kehittymistä tarkastelemalla eri iskuenergioilla kuormitettujen koekappaleiden vaurioita. Lopuksi laminaattien iskukuormittumista tutkitaan elementtimenetelmään perustuvilla simulaatioilla. Työn toisessa osassa keskitytään kerrostenväliseen murtumiseen, joka tapahtuu metallien ja lujitemuovien rajapinnassa. Työn tulokset osoittavat, että murtuminen laminaatin alimmaisessa rajapinnassa tapahtuu iskun aikana kahdessa eri vaiheessa. Iskun alkuvaiheessa murtuma muodostuu laminaatin normaalin suuntaisten leikkausvoimien seurauksena. Iskun paluuvaiheen aikana lujitemuovikerrokset pyrkivät suoristumaan plastisesti muovautuneita metallikerroksia enemmän. Ero materiaalivasteessa johtaa repivään kuormitukseen ja murtumiseen. Rajapinnan murtumista ei tyypillisesti ole otettu huomioon iskumalleissa ja toisinaan ainoastaan leikkausvoimista aiheutuva murtuminen on huomioitu. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että kaksivaiheinen murtuminen vaikuttaa merkittävästi laminaatin muodonmuutoksiin ja iskunjälkeiseen venymätilaan. Realistinen vauriotilan määrittäminen on erityisen tärkeää iskunjälkeistä lujuutta tarkasteltaessa. Tämän vuoksi jatkossa on suositeltavaa ottaa huomioon kaksivaiheinen murtuminen laminaattien iskukuormitusta mallinnettaessa. fi
dc.format.extent 62 + app. 62
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 262/2016
dc.relation.haspart [Publication 1]: Pärnänen, Tuomas; Alderliesten, René; Rans, Calvin; Brander, Timo; Saarela, Olli. (2012). Applicability of AZ31B-H24 magnesium in Fibre Metal Laminates – An experimental impact research. Elsevier. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Volume 43, Issue 9, pages 1578-1586. ISSN of journal 1359-835X. DOI of article 10.1016/j.compositesa.2012.04.008
dc.relation.haspart [Publication 2]: Sadighi, Mojtaba; Pärnänen, Tuomas; Alderliesten, René; Sayeaftabi, Mojtaba; Benedictus, Rinze. (2012). Experimental and Numerical Investigation of Metal Type and Thickness Effects on the Impact Resistance of Fiber Metal Laminates. Springer. Applied Composite Materials, Volume 19, Issue 3-4, pages 545-559. ISSN of journal 0929-189X. DOI of article 10.1007/s10443-011-9235-6
dc.relation.haspart [Publication 3]: Pärnänen, Tuomas; Kanerva, Mikko; Sarlin, Essi; Saarela, Olli. (2015). Debonding and impact damage in stainless steel fibre metal laminates prior to metal fracture. Elsevier. Composite Structures, Volume 119, pages 777-786. ISSN of journal 0263-8223. DOI of article 10.1016/j.compstruct.2014.09.056
dc.relation.haspart [Publication 4]: Pärnänen, Tuomas; Vänttinen, Aki; Kanerva, Mikko; Jokinen, Jarno; Saarela, Olli. (2016). The effect of debonding on the low-velocity impact response of steel-CFRP fibre metal laminates. Applied Composite Materials, Volume 23, Issue 6, pages 1151-1166. DOI of article 10.1007/s10443-016-9505-4
dc.subject.other Mechanical engineering en
dc.title Low-velocity impact damage in fibre metal laminates - a study of the impact resistance and metal-composite debonding en
dc.title Lujitemuovi-metalli-yhdistelmälaminaattien iskuvaurioituminen – tutkimus iskunkestävyydestä ja kerrostenvälisestä murtumisesta fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Engineering en
dc.contributor.department Konetekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Mechanical Engineering en
dc.subject.keyword fibre metal laminates en
dc.subject.keyword hybrids en
dc.subject.keyword impact en
dc.subject.keyword impact resistance en
dc.subject.keyword debonding en
dc.subject.keyword yhdistelmälaminaatit fi
dc.subject.keyword iskunkestävyys fi
dc.subject.keyword kerrostenvälinen murtuminen fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7188-6
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Saarela, Olli, Prof., Aalto University, Department of Applied Mechanics, Finland
dc.opn Cantwell, Wesley, Prof., Khalifa University, United Arab Emirates
dc.rev Bayandor, Javid, Prof., Virginia Tech, USA
dc.rev Laliberté, Jeremy, Prof., Carleton University, Canada
dc.date.defence 2017-01-27


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account