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Bibliographic Metadata

Title
Multiscale Progressive Damage Modelling in Continuously Reinforced Composite Structures / Author Emil Jacob Pitz, BSc
AuthorPitz, Emil Jacob
CensorMajor, Zoltan
PublishedLinz, 2017
Descriptionv, 86 Blätter : Illustrationen
Institutional NoteUniversität Linz, Masterarbeit, 2017
LanguageEnglish
Document typeMaster Thesis
Keywords (GND)Faserverbundwerkstoff / Fehlerortung / Mikrostruktur
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-19207 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
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Multiscale Progressive Damage Modelling in Continuously Reinforced Composite Structures [4.13 mb]
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Abstract (English)

The current thesis deals with the failure modelling in continuously reinforced composite structures taking into account the materials inherent microstructure. For that, first the implementation of a constitutive model for transversely isotropic damage in fibre reinforced composites as a User Material Subroutine for Abaqus Standard (UMAT) is presented. Damage initiation in the transversely isotropic linear elastically modelled composite is governed by the Strain Invariant Failure Theory (SIFT), utilising the first strain invariant and the second deviatoric strain invariant for damage initiation. To phenomenologically account for the materials microstructure, the homogenised macro strain is related to the micro strain by means of strain amplification factors determined from simulations of Representative Volume Elements (RVEs) with different fibre arrangements utilising Periodic Boundary Conditions (PBCs). For damage evolution, linear softening behaviour is assumed. ^The implemented constitutive model is subsequently expanded to account for nonlinearity within the matrix phase of the composite, by means of an additional damage variable evolving as a function of the distortional strain in the matrix phase. This is implemented as a User Material Subroutine for Abaqus Explicit (VUMAT).

Additionally, the Micromechanics Analysis Code based on the Generalized Method of Cells (MAC/GMC), developed by NASA at Glenn Research Centre in Cleveland, Ohio, is examined and composite Repeating Unit Cells (RUCs) are developed, having as input parameters purely the constituents material behaviour. Within the implemented RUCs, plastic deformation and failure of the composite materials matrix phase is taken into account and modelling of fibre failure is based on statistical distribution of the fibre strength by means of the Curtin fibre failure model. ^For validation of the numerically implemented models, experimental tests of composite laminates with varying layups are conducted. These experiments are simulated utilising the implemented models and the obtained results compared to the experimental data.

Abstract (German)

Fokus der vorliegende Masterarbeit ist die Fehlervorhersage in faserverstärkten Verbundwerkstoffstrukturen unter Berücksichtigung der, dieser Materialklasse inhärenten, Mikrostruktur. Dafür wird zunächst die Implementierung eines Materialgesetzes zur Modellierung von transversal isotroper Schädigung in Verbundwerkstoffen als benutzerdefiniertes Material in Abaqus Standard (UMAT) präsentiert. Schadensinitiierung in dem transversal isotrop, linear elastisch modellierten Werkstoff ist implementiert mittels der Strain Invariant Failure Theory (SIFT), wobei erreichen eines kritischen Wertes der ersten Invarianten des Dehnungstensors bzw. der zweiten Invarianten des deviatorischen Dehnungstensors zur Schadensinitiierung führt. Die Materialmikrostruktur wird phänomenologisch mittels Dehnungsverstärkungsfaktoren miteinbezogen, wobei diese den makroskopischen Dehnungszustand auf den mikroskopischen zurückführen. ^Die Dehnungsverstärkungsfaktoren werden dabei durch Simulation von mikromechanischen Blöcken mit unterschiedlichen Faseranordnungen ermittelt, wobei dafür periodische Randbedingungen verwendet werden müssen. Nach Schadensinitiierung im Material wird lineares Erweichungsverhalten modelliert. Das soeben beschriebene Materialgesetz wird im weiteren Verlauf der Arbeit erweitert, um nicht-lineares Verhalten in der Matrixphase des Verbundwerkstoffes zu berücksichtigen. ^Dies ist mittels einer zusätzlichen Schadensvariable im Modell, die als Funktion der Verzerrungen in der Matrixphase wächst, als benutzerdefiniertes Material in Abaqus Explicit (VUMAT) implementiert.

Zusätzlich wird der Micromechanics Analysis Code based on the Generalized Method of Cells (MAC/GMC), entwickelt am NASA Glenn Research Centre in Cleveland, Ohio, untersucht und repräsentative Einheitszellen (RUCs) zur Verbundwerkstoffmodellierung werden entwickelt, wobei nur das Verhalten von Matrixphase und Faserphase als Eingabeparameter bekannt sein müssen. Dabei wird plastische Deformation und Versagen der Matrixphase bei der Modellierung berücksichtigt, genauso wie die statistische Verteilung der Faserfestigkeiten mittels Verwendung eines Modells für Faserschädigung entwickelt von Curtin. Um die entwickelten numerischen Modelle zu verifizieren wurden experimentelle Zugversuche von unterschiedlichen Verbundwerkstofflaminaten durchgeführt. ^Die Ergebnisse von Simulationen dieser Zugversuche, unter Verwendung der implementierten Materialmodelle, werden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen.

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