Characterization and modeling of the damage and failure of composite plates containing geometric sigularities

Abstract

بشكل عام ، يتطلب إنشاء الألواح المركبة المصفحة فهماً شاملاً لآليات الفشل والنمذجة الدقيقة. يركز هذا العمل على هدفين رئيسيين. الهدف الأساسي الأول هو تحليل سلوك فشل الألواح والروافد المصفحة تحت أحمال ساكنة ورطوبة حرارية مختلفة مع شروط حدية مختلفة ، وذلك باستخدام الطرق التحليلية والرقمية من خلال تحليل العناصر المحدودة. تم إجراء تحليلفشل الطبقة الاولئ باستخدام عنصر لوحة مستطيل مصقول تم صياغته بناءً على نظرية التصفيح الكلاسيكية (CLT) لحساب الضغوط داخل المستوى. لتحقيق هذا الهدف ، تم استخدام العديد من معايير الفشل ، بما في ذلك معاييرتسايووتساي هيلوهاشين،و اقصئ اجهاد ، للتنبؤ بآليات الفشل. تم تنفيذ هذه المعايير ضمن خوارزمية العنصر المحدد للتنبؤ بأضرار الفشل المختلفة واستجابات الصفائح الرقائقية من التحميل الأولي إلى الفشل النهائي ، من أجل فهم تأثير أنواع مختلفة من الأحمال على حمل فشل الطبقة الأولى. في بعض الأحيان ، يحتاج المصممون إلى عمل ثقوب بأشكال مختلفة في الصفيحة لتلبية متطلبات التصميم ولأسباب عملية. تغير الفتحات سلوك المواد وتخلق تركيزات إجهاد غير مرغوب فيها حول هذه الثقوب. لهذا السبب ، الهدف الثاني من هذا العمل هو تحديد عامل تركيز الضغط والضغط الناتج في لوحة لا نهائية مع تسلسل تكديس غير متماثل من الصفائح المصفحة التي تتضمن ثقب دائري بأحجام مختلفة تحت محوري تعسفي ، ثنائي المحور ، و تحميل القصعند اللانهاية. تم ذلك باستخدام حل تحليلي عام يوسع طريقة Greszczuk من خلال إدخال أحمال مختلفة بشكل تعسفي داخل الصفيحة. في الحل الحالي ، تم تقديم تركيبات المعادلات الفعالة للألواح الرقائقية المركبة الغير المتماثلة. تم تقييم دقة هذا الحل التحليلي من خلال مقارنة نتائجه مع نتائج نماذج العناصر المحدودة والنتائج التحليلية التي تم الحصول عليها باستخدام النهج المتغير المعقد ، مما يكشف عن مستوى عالٍ من التوافق بين هذه النتائج. هذا يوضح صحة ودقة الحل التحليلي الحالي. يُستخدم معيار فشلتسايوأيضًا لحساب حمل فشل الطبقة الأولى (FPF) وإظهار تأثير وجود الفتحة الدائرية على أحمال FPF

In general, the creation of laminated composite plates requires a thorough understanding of failure mechanisms and accurate modeling. This work focuses on two main objectives. The first primary objective is to analyze the failure behavior of laminated plates and beams under various static and hygrothermal loads with different boundary conditions, utilizing analytical and numerical methods through finite element analysis. The First Ply Failure (FPF) analysis is performed using a refined rectangular plate element formulated based on the Classical Lamination Theory (CLT) to calculate the in-plane stresses. To achieve this goal, several failure criteria, including Tsai-Wu, Tsai-Hill, Hashin, and Maximum Stress criteria, are used to predict failure mechanisms. These criteria are implemented within the finite element code to predict the different failure damages and responses of laminated plates and beams from the initial loading to the final failure, in order to comprehend the effect of different types of loads on the FPF load. Sometimes, designers need to make holes in different shapes in the laminate to meet the design requirements and for practical reasons. Cutouts alter the behavior of materials and create undesirable stress concentrations around these holes. For this reason, the second objective of this work is to determine the stress concentration factor and stress resultant in an infinite plate with an unsymmetrical stacking sequence of laminated plates that include a circular hole of various sizes under arbitrary axial, biaxial, and shear loading at infinity. This is done using a general analytical solution that extends the Greszczuk's method by introducing different arbitrarily oriented in-plane loads. In the current solution, the formulations of the effective moduli of unsymmetrical composite laminated plates are presented. The accuracy of this analytical solution is assessed by contrasting its findings with the results of finite element models and analytical results obtained using the complex variable approach, revealing a high level of agreement between these results. This demonstrates the validity and accuracy of the present analytical solution. The Tsai-Wu failure criterion is also used to calculate the FPF and show the effect of the presence of the circular hole on the FPF loads.

En général, la création de plaques composites stratifiées nécessite une compréhension approfondie des mécanismes de rupture et une modélisation précise. Ce travail se concentre sur deux objectifs principaux. Le premier objectif principal est d'analyser le comportement à la rupture des plaques et poutres stratifiées sous diverses charges statiques et hygrothermiques avec différentes conditions aux limites, en utilisant des méthodes analytiques et numériques via l'analyse par éléments finis. L'analyse de rupture du premier pli (FPF) est effectuée à l'aide d'un élément de plaque rectangulaire raffiné formulé sur la base de la théorie classique du laminage (CLT) pour calculer les contraintes dans le plan. Pour atteindre cet objectif, plusieurs critères de défaillance, notamment les critères de Tsai-Wu, Tsai-Hill, Hashin et de contrainte maximale, sont utilisés pour prédire les mécanismes de défaillance. Ces critères sont implémentés dans le code des éléments finis pour prédire les différents dommages et réponses de rupture des plaques et poutres stratifiées depuis le chargement initial jusqu'à la rupture finale, afin de comprendre l'effet des différents types de charges sur la charge FPF. Parfois, les concepteurs doivent percer des trous de différentes formes dans le stratifié pour répondre aux exigences de conception et pour des raisons pratiques. Les découpes modifient le comportement des matériaux et créent des concentrations de contraintes indésirables autour de ces trous. Pour cette raison, le deuxième objectif de ce travail est de déterminer le facteur de concentration des contraintes et les contraintes résultant d'une plaque infinie avec une séquence d'empilement asymétrique de plaques stratifiées comprenant un trou circulaire de différentes tailles sous une charge axiale, biaxiale et de cisaillement arbitraire à infini. Ceci est réalisé en utilisant une solution analytique générale qui étend la méthode de Greszczuk en introduisant différentes charges dans le plan arbitrairement orientées. Dans la solution actuelle, les formulations des modules effectifs de plaques stratifiées composites asymétriques sont présentées. L'exactitude de cette solution analytique est évaluée en comparant ses résultats avec les résultats des modèles d'éléments finis et les résultats analytiques obtenus à l'aide de l'approche des variables complexes, révélant un niveau élevé d'accord entre ces résultats. Cela démontre la validité et l’exactitude de la présente solution analytique. Le critère de rupture Tsai-Wu est également utilisé pour calculer le FPF et montrer l'effet de la présence du trou circulaire sur les charges FPF.