Study on failure mechanisms of tufted composite laminates under tensile loading

Esmaeili Marzdashti, Sobhan (2023). Study on failure mechanisms of tufted composite laminates under tensile loading. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Layered fiber reinforced polymer (FRP) composite materials are known for their excellent inplane stiffness and strength, but they have a weakness in delamination, particularly when exposed to transverse loading. To address this issue, through-thickness reinforcement (TTR) techniques can be utilized to enhance the delamination resistance of layered composites. Tufting techniques have gained popularity among engineers due to their ability to improve outof- plane properties at a lower cost compared to other through-thickness reinforcement (TTR) techniques. The initial focus of this study is on the production of tufted laminates, considering different tufting geometries and laminate sequences with a full release film placed in the midlayer of laminates. To analyze the impact of tufting loops on the behavior of laminates under transvers loading, two types of laminates are manufactured: loop-less and with-loop laminates that contain a single tuft. The loop-less laminates are created by milling down the surface of laminates. Additionally, this study employs two laminate sequences (quasi-isotropic and orthotropic) to investigate how preform layering affects the failure mechanisms of tufted laminates exposed to transverse loading. To gain a deeper understanding of the failure modes present within tufted laminates of varying tufting geometries and laminate sequences, the CTscan technique is utilized incrementally during pure tensile transvers loading. This technique highlights detailed observation and analysis of the internal damage and failure modes of laminates at different tensile displacements.

Upon analyzing the force-separation curves and fracture surfaces, it is found that for either laminate sequence, the loop-less tufting geometry fails due to tuft pull-out and possesses higher fracture energy in comparison to the standard tuft (with-loop) geometry. Nonetheless, withloop tuft laminates demonstrate a higher ultimate load than loop-less ones. According to the force-separation curves, the tuft exhibits a more brittle behavior in the quasi-isotropic laminate than in the orthotropic one. For both tufting geometries, switching the laminate sequences from orthotropic to quasi-isotropic leads to a 60% rise in the ultimate load and a 62% reduction in fracture energy. CT-scan analysis indicates that the primary failure modes during the linear regime are inter-fiber and interface debonding. However, during the plastic regime, interface failure, tuft rupturing, and pullout are observed. The quantity of resin surrounding a tuft can greatly impact its properties under tensile loading. Since there is a limited quantity of resin surrounding the tuft and the tuft is in contact with laminate, then tuft failure at the mid-plane is likely to occur. Conversely, a larger amount of resin surrounding the tuft tends to promote fiber pull-out instead. Lastly, a reliable 3D damage micro modelling tool has been developed in Abaqus for predicting the failure modes of orthotropic with-loop tufted laminates. The Hashin damage criteria for the tuft and elastoplastic respond for the tuft interface are incorporated into the model using Abacus plasticity tool and the user-defined field (USDFLD) method. Despite a convergence issue preventing the model to reach full failure, it has been observed that the selected material properties and tools have demonstrated high effectiveness in accurately simulating the behavior of a tufted laminate during the initial stage of a tensile test.

Titre traduit

Étude sur les mécanismes de défaillance des stratifiés composites touffetés sous chargement en traction

Résumé traduit

Les matériaux composites en polymère renforcé de fibres (FRP) multicouches sont connus pour leur excellente rigidité et résistance dans le plan, mais ils présentent une faiblesse en matière de délamination, en particulier dans des conditions de charge de traction transversale. Pour remédier à ce problème, des techniques de renforcement dans l'épaisseur des composites par des touffes peuvent être utilisées pour améliorer la résistance à la délamination des composites multicouches. Les techniques de touffetage ont gagné en popularité parmi les ingénieurs en raison de leur capacité à améliorer à la fois les propriétés dans le plan et hors plan à un coût inférieur par rapport à d'autres techniques de renforcement en travers (TTR). L'objectif initial de cette étude est la production de stratifiés tuftés, en tenant compte de différentes géométries de touffetage et de séquences de stratifiés avec un film de décollement complet placé dans la couche intermédiaire des stratifiés. Pour analyser l'impact des boucles de touffetage sur le comportement des stratifiés sous tension, deux types de stratifiés sont fabriqués : des stratifiés sans boucles et des stratifiés avec boucles contenant une seule touffe. Les stratifiés sans boucles sont créés en fraisant les stratifiés avec boucles. De plus, cette étude utilise deux séquences de stratifiés quasi-isotropes et orthotropes pour étudier comment le stratifié préformé affecte le mécanisme de défaillance des stratifiés touffetés exposés à une charge hors plan. Pour acquérir une compréhension plus approfondie des modes de rupture présentés dans les laminés touffetés avec différentes géométries de touffes et séquences de stratification, la technique de CT-scan est utilisée de manière progressive pendant la sollicitation en traction. Cette technique met en évidence une observation et une analyse détaillées des dommages internes et des modes de défaillance des stratifiés à différents déplacements de traction.

Après avoir analysé les courbes de force-séparation et les surfaces de rupture, il a été constaté que, pour des séquences constantes, la géométrie de touffe sans boucle échoue en raison de l'arrachement des touffes et possède une énergie de rupture plus élevée par rapport à la géométrie standard (avec boucle). Néanmoins, les stratifiés avec boucles démontrent une charge ultime plus élevée que ceux sans boucle. Selon les courbes de force-séparation, la touffe présente un comportement plus fragile dans le stratifié quasi-isotrope que dans le stratifié orthotrope. Indépendamment de la géométrie de la touffe, le passage des séquences de stratification orthotropes à quasi-isotropes entraîne une augmentation de 60% de la charge ultime et une réduction de 62% de l'énergie de rupture. L'analyse CT-scan indique que les modes de défaillance primaires pendant le régime linéaire sont le déliantage inter-fibre et la rupture de l'interface. Cependant, pendant le régime plastique, la défaillance de l'interface, la rupture de touffe, la défaillance de touffe et l'arrachement sont observés. La quantité de résine entourant une touffe peut avoir un impact considérable sur ses propriétés sous charge de traction. S'il y a une quantité limitée de résine entourant la touffe et que la touffe est fermement collée au stratifié, alors une défaillance de la touffe au niveau du plan médian est susceptible de se produire. À l'inverse, une plus grande quantité de résine entourant la touffe tend à favoriser l'arrachement des fibres qui composent la touffe. Enfin, un outil de modélisation microscopique de dommages en 3D fiable a été développé dans Abaqus pour prédire les modes de défaillance des composites orthotropes touffetés. Les critères de dommage Hashin pour la touffe et la réponse élastoplastique de l'interface au renfort sont intégrés dans la modélisation en utilisant l'outil de plasticité d'Abaqus et la méthode du champ défini par l'utilisateur (USDFLD). Malgré un problème de convergence qui empêche l'analyse non linéaire d'atteindre une défaillance complète, il a été observé que les propriétés des matériaux sélectionnés et les outils utilisés ont démontré une grande efficacité pour simuler de façon précise le comportement d'un composite touffeté lors de la phase initiale d'un test de traction.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of master in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 85-88).
Mots-clés libres:	touffetage, stratifiés composites touffetés, mécanismes de défaillance, analyse CT-scan, modélisation par éléments finis (MEF)
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Joncas, Simon
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	12 janv. 2024 18:44
Dernière modification:	12 janv. 2024 18:44
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3328

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