Dynamic stress concentrations in unidirectional carbon fibre composites

Thumbnail Image

Files

master_Kankkunen_Tomi_2019.pdf (4.13 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2019-10-21

Department

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)

Language

en

Pages

62

Series

Abstract

Unidirectional (UD) carbon fibre reinforced polymer (CFRP) composites are applied in demanding structural applications. Therefore, it is extremely beneficial to be able to estimate the strength and damage development mechanisms of the CFRP structure. Currently, these mechanisms are not known completely, which leads to overdesigned and unnecessarily heavy expensive structures. One of these damage development mechanisms is the formation of co-planar clusters of broken fibres during the tensile loading. When UD CFRP is loaded in tension, fibre filaments start breaking at some point. Most of these fibre breaks form a crack-like shape, i.e. a co-planar cluster, and the other breaks diffuse around the break point. However, current models fail to predict this observed prevalence of co-planar clusters. Moreover, the current models have difficulties to explain the rapid growth of these co-planar cracks, and consequently, to predict the final failure of the composite. This thesis attempts to explain the formation of co-planar clusters by incorporating dynamic stresses in the current state-of-art models. There are currently no models that could capture 3-dimensional dynamic behaviour in UD composite. Instead, current models are either limited to i) static stresses or ii) 2-dimensional geometries. The dynamic stresses are obtained numerically via a finite element method (FEM) by extending an existing 3-dimensional static model. The significance of dynamic stresses is primarily determined by comparing the dynamic and static stresses for the same model setup. Dynamic stresses are simulated by varying input parameters, including the number of breaking fibres, matrix material model and fibre volume fraction. The analysis of results produced three main conclusions. Firstly, the material model of the matrix has a significant effect on the dynamic stresses. Modelling matrix as a linear elastic led to significantly higher dynamic stresses than perfectly plastic matrix. Secondly, dynamic stresses become more important when the number of breaking fibres increases. Thirdly, the increase of volume fraction decreases slightly the dynamic stresses. Overall, the results consistently showed that dynamic stresses will at least slightly increase the probability of co-planar crack formation. Further studies with modified setups would obtain important additional data for dynamic behaviour of the composite.

Yhdensuuntaisilla hiilikuiduilla lujitettuja muovikomposiitteja käytetään vaativissa rakenteellisissa sovellutuksissa, minkä vuoksi on tärkeää tuntea perusteellisesti komposiitin lujuus ja vaurion kehittymismekanismit. Näitä mekanismeja ei tunneta vieläkään täysin, mikä johtaa ylimitoitettuihin, tarpeettoman painaviin ja kalliisiin rakenteisiin. Eräs näistä mekanismeista on yhtenäistä säröä muistuttava vierekkäisten hiilikuitusäikeiden katkeaminen samassa tasossa (samantasoinen klusteri), kun komposiitti on kuitujen suuntaisessa vetojännitystilassa. Havaintojen perusteella suurin osa klustereista ovat samantasoisia. Loput klustereista taas muodostuvat niistä vierekkäisistä kuitusäikeiden katkeamiskohdista, jotka eivät ole samassa tasossa (hajaantunut klusteri), mikä johtuu kuidun lujuuden tilastollisesta hajonnasta. Tämä havainto on ristiriidassa nykyaikaisten mallien kanssa, jotka ennustavat, että suurin osa klustereista hajaantuu ja vain pieni osa on samantasoisia. Lisäksi nykyisillä malleilla on vaikeuksia selittää samantasoisten klustereiden nopea kasvu ja siitä seuraava komposiitin lopullinen murtuminen. Tämän työn taustatarkoituksena on arvioida, johtuuko samantasoisten klusterien yleisyys kuitusäikeen katkeamisen aiheuttamasta dynaamisesta jännityksestä. Nykyaikaiset mallit eivät ole onnistuneet jäljittelemään katkeamiseen liittyviä kolmiulotteisia dynaamisia ilmiöitä. Sen sijaan nykyiset mallit ovat rajoittuneet joko i) staattisiin jännityksiin tai ii) kaksiulotteisiin geometrioihin. Tässä työssä dynaamiset jännitykset simuloidaan numeerisesti elementtimenetelmää (FEM) käyttäen laajentamalla erästä nykyaikaista kolmiulotteista staattista mallia. Dynaamisten jännitysten suuruutta arvioidaan ensisijaisesti vertaamalla niitä vastaavaan jo olemassa olevaan malliin, joka ottaa huomioon vain staattisen jännityksen. Lisäksi jännityksiä simuloidaan käyttäen erilaisia mallin alkuasetuksia, muun muassa muuttaen katkeavien kuitujen määrää, täyteaineen materiaalimallia sekä kuitupitoisuutta. Simuloitujen tulosten pohjalta päädyttiin kolmeen päälopputulokseen. Ensiksi, täyteaineen materiaalimallilla näyttäisi olevan merkittävä vaikutus dynaamiseen jännitykseen. Lineaari-elastinen materiaalimalli johti huomattavasti suurempiin dynaamisiin jännityksiin kuin täysin plastinen malli. Toisekseen, dynaamisten jännitysten merkitys kasvoi hieman, kun katkeavien kuitujen määrä kasvoi. Kolmanneksi, kuitupitoisuuden lisäys pienensi dynaamisia jännityksiä rikkoutuneen kuidun ympärillä. Kaiken kaikkiaan, dynaamiset jännitykset olivat vähintään hieman suurempia kuin staattiset jännitykset. Vaikka tulosten pohjalta on vielä haastavaa selittää nykyinen samantasoisten klusterien muodostuminen, tämä tutkimus luo pohjan tutkia ilmiötä tarkemmin muun muassa eri parametreja muuttamalla.

Description

Supervisor

St-Pierre, Luc

Thesis advisor

St-Pierre, Luc

Keywords

carbon fibre, co-planar cluster, dynamic break, finite element method, polymer composite, unidirectional

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201910275936

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG