Design and validation of Fully-Uncoupled Multi-Directional lay-ups to evaluate interlaminar fracture toughness
Conception et validation de composites stratifiés découplés pour l’évaluation de la résistance au délaminage
Résumé
The object of this study is the development of a novel class of stacking sequencesfor the design of multidirectional polymer matrix laminated composite specimens for interlaminar fracture toughness (or delamination) tests. These sequences allow to obtain multidirectional specimens that, in the framework of Classic Laminated Plate Theory, have a thermo-elastic behaviour that closely matches that of unidirectional specimens: they are completely free from elastic couplings and they do not develop laminate-level thermally-induced deformations due to the curing process. Furthermore, they allow to test delamination interfaces between plies of any desired orientation. Because of their properties, they were labelled Fully-Uncoupled Multi-Directional (FUMD).In order to design these layups, Quasi-Trivial (QT) solutions were exploited.Firstly, an algorithm for the creation of a database of such solutions was conceived and implemented.Thanks to it, more and longer QT solutions were found than in previous studies.Then, analytical rules were established allowing to obtain new QT solutions from the superposition of known ones.These criteria allow to obtain QT sequences of any desired length, thus overcoming existing computational limitations arising when searching for QT solutions using the algorithm.Combining QT solutions with a few basic laminate design principles and the superposition criteria, FUMD stacking sequences are designed.In order to assess the properties of delamination specimens obtained with FUMD layups, a Finite Element model of a Double Cantilever Beam specimen was developed and used to compare the behaviour of a FUMD layup with that of other sequences proposed in relevant literature on the topic of delamination in multidirectional laminates.By means of the standard and of a revised Virtual Crack Closure Technique formulations, Energy Release Rate distributions and modal partitions of the specimens were evaluated.It emerged that the FUMD layup resulted in an optimal behaviour of the specimen.Eventually, a mode I interlaminar fracture toughness experimental campaign was performed.FUMD Double Cantilever Beam specimens were fabricated, along with with unidirectional ones.A UD-fabric material was used to reduce the likelihood of delamination migration.Rotations of the specimens arms and the shape of the delamination fronts were studied in order to assess the capability of the specimens to yield the correct mechanical behaviour for mode I delamination testing.For both aspects, FUMD specimens yielded results similar to those obtained with unidirectional specimens.With respect to interlaminar fracture toughness, specimens with identical delamination interface yielded similar values, even if their global stiffness was different.On the other hand, different interfaces led to different interlaminar fracture toughness, related to different fracture behaviours.While this work represents a preliminary study and further research is clearly required, FUMD delamination specimens have shown a good potential, and they may stand out as a viable solution for interlaminar fracture toughness tests.Possibly, they could be considered for an extension of the scopes of existing standard test methods to multidirectional laminates and interfaces.
Le sujet de cette étude est le développement de séquences d’empilement pour la conception d'éprouvettes multidirectionnelles en matériaux composite à matrice polymère destinées à des essais de délaminage.Ces séquences permettent d’obtenir des éprouvettes multidirectionnelles qui, dans le cadre de la théorie classique des stratifiés, montrent un comportement thermoélastique qui reproduit celui des composites unidirectionnels : elles sont complètement libres de tout type de couplage élastique et ils ne développent pas des déformations résiduelles dues au cycle de cuisson.Par ailleurs, ces empilements permettent de tester n’importe quelle interface de délaminage.La conception de ces empilements est basée sur les solutions Quasi-Triviales (QT).Un algorithme pour la création d’une base de données de ces solutions a été conçu et implémenté.Grace à cela, un nombre plus grand de solutions QT et des solutions QT avec un nombre plus grand de plis que dans des études précédentes ont été trouvées.Ensuite, des critères analytiques permettant d’obtenir de nouvelles solutions à partir de la superposition des solutions connues ont été établis.Ces critères permettent d’obtenir des séquences QT avec n’importe quel nombre de couches.En combinant les solutions QT, les principes usuels de conception des stratifiés et les critères de superposition, les séquences d’empilement Fully-Uncoupled Multi-Directional (FUMD) ont été obtenues.Pour évaluer les propriétés des éprouvettes de délaminage obtenues avec ces séquences, un modèle Éléments Finis d’une éprouvette Double Cantilever Beam (DCB) a été développé pour comparer le comportement d’une séquence FUMD à celui d’autres séquences proposées dans la littérature pour les essais de délaminage.En utilisant la méthode de refermeture (Virtual Crack Closure) dans ses formulations originale et révisée, les distributions du taux de restitution d’énergie (Energy Release Rate) et ses partitions modales ont été évaluées.La séquence FUMD démontre les meilleurs résultats.Finalement, une campagne expérimentale de caractérisation du délaminage en mode I a été menée.Des éprouvettes DCB avec des séquences FUMD ont été conçues et fabriquées.Des plis tissés déséquilibrés ont été utilisés pour réduire la probabilité de changement de plan de délaminage.Les rotations des bras des éprouvettes et la forme du front du délaminage ont été étudiés pour évaluer la capacité des éprouvettes à garantir un comportement mécanique optimal lors du test de délaminage en mode I.Les résultats obtenus avec les éprouvettes FUMD sont proches de ceux obtenus avec les éprouvettes unidirectionnelles.En ce qui concerne l'énergie de rupture, les éprouvettes ayant la même interface de délaminage ont montré des valeurs très proches, même si leur rigidité était sensiblement différente.Par ailleurs, la caractérisation d'interfaces différentes a abouti à des énergies de rupture différentes, résultants des modes de ruptures non identiques.Ce travail ne représente qu'une étude préliminaire et des recherches complémentaires sont nécessaires.Néanmoins les éprouvettes de délaminage FUMD ont démontré un bon potentiel, et sont intéressantes pour les essais de délaminage.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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