Simulation of interlaminar and intralaminar damage in polymer-based composites for aeronautical

328 Pages·2010·16.08 MB·English

SIMULATION OF INTERLAMINAR AND
INTRALAMINAR DAMAGE IN POLYMER-BASED
COMPOSITES FOR AERONAUTICAL APPLICATIONS
UNDER IMPACT LOADING

Emilio Vicente GONZÁLEZ JUAN

ISBN: 978-84-694-4282-1
Dipòsit legal: GI-695-2011
http://hdl.handle.net/10803/22834

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Universitat de Girona
PhD Thesis
Simulation of interlaminar and
intralaminar damage in
polymer-based composites for
aeronautical applications under
impact loading
Emilio Vicente Gonza´lez Juan
2010
Universitat de Girona
PhD Thesis
Simulation of interlaminar and
intralaminar damage in polymer-based
composites for aeronautical
applications under impact loading
Emilio Vicente Gonza´lez Juan
2010
Technology Doctorate Program
Advisors
Dr. Pere Maim´ı Vert Dr. Pedro P. Camanho
Universitat de Girona, Spain Universidade do Porto, Portugal
A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy by the
University of Girona
To whom it might concern,
Dr. Pere Maim´ı Vert, Associate Professor at the Universitat de Girona of the
Department of Enginyeria Mec`anica i de la Construcci´o Industrial, and Dr. Pedro
Manuel Ponces Rodrigues de Castro Camanho, Associate Professor at the Univer-
sidade do Porto of the Department of Engenharia Mecˆanica,
CERTIFYthatthestudyentitledSimulation of interlaminar and intralaminar dam-
age in polymer-based composites for aeronautical applications under impact loading
has been carried out under their supervision by Emilio Vicente Gonza´lez Juan to
apply the doctoral degree with the European Mention,
Girona, October 2010,
Dr. Pere Maim´ı Vert Dr. Pedro P. Camanho
Universitat de Girona, Spain Universidade do Porto, Portugal
A mis padres,
Angel y Tere
Acknowledgements - Agra¨ıments - Agradecimien-
tos
I would like to express my most sincerely gratitude to my advisors, Pere Maim´ı and
Pedro P. Camanho, for the indefatigable help and for the key contributions that
have allowed the development of the present thesis. I feel very fortunate to have
worked with them. The treatment that I have received since the first day has been
close and friendly, and this good relationship has grown day by day yielding to a
nice friendship and allowing to enjoy a lot with the work.
I want to thank also the help received from Joan Andreu Mayugo, Josep Costa
and Norbert Blanco, who have spent a lot of time making the work easy and clar-
ifying a lot of things, not only related to composite materials, also in many other
things which are required to continue forward. This help has existed always, since
the first day that I started to work with the research group AMADE in July of
2003. Also, I have to remember that they are the guilty of encouraged me to start
the thesis.
I have to do a special mention of my friends G. Catalanotti, C.S. Lopes, and H.
Koerber, with the ones that I have shared great moments and I have learned a lot
of them during my research stages at the University of Porto. In addition, I would
like to express my gratitude to Carlos Da´vila who offered me the possibility to visit
NASA - Langley Research Center in Hampton, during the summer of 2008.
Of course, I am grateful to all members of the research group AMADE of the
University of Girona for the help and nice moments that I have received from each
one: A. Turon, J. Renart, D. Trias, M. Baena, M. Gascons, P. Vicens, E. Pajares,
R. Cruz, J. Bonilla, C. Mias, Ll. Ripoll, L. Zubillaga, N. Isart, S. Ortiz, C. Barris,
I. Vilanova, D. Sans, J. Bofill, P. Badall´o, T. Kanzaki, N. Gascons, J. Torres, Ll.
Torres, J. Vives and M. Compte. In addition, I want to thank to: Grup de Recerca
en Enginyeria de Producte, Proc´es i Produccio´ (GREP), of the University of Girona,
in special to Jordi Delgado, for the dent-depth measurements; Instituto Nacional de
T´ecnicaAeroespacial(INTA),forthehelpinthespecimenmanufacturing; Mechanic
Engineering Laboratory of the University of Porto for the manufacturing of the test
rigs; and the Computer Science team of INEGI (University of Porto) for the well
working of the cluster for the computation of the simulations.
No vull oblidar els meus amics, Aniceto, Auguet, Blai, Calli, Manel la, Palacios,
·
i Terri, pels bons moments de desconnexio´ que m’heu donat, encara que no han
pogut ser molts, per`o que han estat intensos i divertits.
Finalmente, quiero dar un especial agradecimiento a mi hermana Bego, mi
cun˜ado Joan, y a mis padres, Angel y Tere, por la confianza, apoyo y a´nimos que
me hab´eis dado, no so´lo en este proyecto, sino a lo largo de mi vida para todas las
dificultades que se me han presentado. Estoy en deuda con vosotros.
Funds
TheperiodofdoctoratestudiescomprisedbetweenJulyof2006andJuneof2007has
been supported by the University of Girona through the research grant BR06/07.
The period of research has been funded by the Comissionat per a Universitats i
Recerca del Departament d’Innovacio´, Universitats i Empresa de la Generalitat de
Catalunya, and by European Social Funds, under a research grant FI - Formaci´o de
Personal Investigador, started in July of 2007 and finished in June of 2010.
Also, the present work has been partially funded by the Spanish Government
through the contracts MAT2006-14159-C02-01 and TRA2006-15718-C02-01/TAIR,
and by the Portuguese Foundation for Science and Technology under the project
PDCT/EMEPME/64984/2006.
Part of the work has been carried out during three stages at the University of
Porto, under the grants for mobility: VUDG-2007 (of the University of Girona),
and BE-2008 and BE-2009 (of the Comissionat per a Universitats i Recerca del
Departament d’Innovaci´o, Universitats i Empresa de la Generalitat de Catalunya).
Also, the analysis of some topics were performed during the research stage at NASA
- Langley Research Center in Hampton (Virginia, USA), that was supported by the
National Institute of Aerospace (NIA), in the summer of 2008.
Finally, I want to thank the award received in May of 2009 for the best thesis
project, announced by the Associacio´ d’Enginyers Industrials de Catalunya, and
supported by the Agrupacio´ Socio-Cultural dels Enginyers Industrials de Catalunya.
Resumen
La aplicacio´n de materiales compuestos de matriz polim´erica reforzados mediante
fibras largas (FRP, ”Fiber Reinforced Plastic”), esta´ en gradual crecimiento debido
a las buenas propiedades espec´ıficas y a la flexibilidad en el disen˜o. Uno de los
mayores consumidores es la industria aeroespacial, dado que la aplicacio´n de estos
materiales tiene claros beneficios econ´omicos y medioambientales.
Cuando los materiales compuestos se aplican en componentes estructurales, se
iniciaunprogramadedisen˜odondesecombinanensayosrealesyt´ecnicasdeana´lisis.
El desarrollo de herramientas de ana´lisis fiables que permiten comprender el com-
portamiento meca´nico de la estructura, as´ı como reemplazar muchos, pero no todos,
los ensayos reales, es de claro inter´es.
Susceptibilidad al dan˜o debido a cargas de impacto fuera del plano es uno de los
aspectos de m´as importancia que se tienen en cuenta durante el proceso de disen˜o
de estructuras de material compuesto. La falta de conocimiento de los efectos del
impacto en estas estructuras es un factor que limita el uso de estos materiales.
Por lo tanto, el desarrollo de modelos de ensayo virtual mec´anico para analizar
la resistencia a impacto de una estructura es de gran inter´es, pero au´n ma´s, la
prediccio´n de la resistencia residual despu´es del impacto.
Enestesentido, elpresentetrabajoabarcaunampliorangodeana´lisisdeeventos
deimpactoabajavelocidadenplacaslaminadasdematerialcompuesto,monol´ıticas,
planas, rectangulares, y con secuencias de apilamiento convencionales. Teniendo en
cuenta que el principal objetivo del presente trabajo es la prediccio´n de la resistencia
residual a compresi´on, diferentes tareas se llevan a cabo para favorecer el adecuado
ana´lisis del problema. Los temas que se desarrollan son: la descripcio´n anal´ıtica
del impacto, el disen˜o y la realizacio´n de un plan de ensayos experimentales, la
formulacio´n e implementaci´on de modelos constitutivos para la descripci´on del com-
xi
xii RESUMEN
portamiento del material, y el desarrollo de ensayos virtuales basados en modelos
de elementos finitos en los que se usan los modelos constitutivos implementados.