Publication: Mechanical behavior of hybrid 3D woven composites
Loading...
Identifiers
Publication date
2014-06
Defense date
2014-07-23
Authors
Tutors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Impact
Export
Abstract
Unidirectional fiber-reinforced composites are widely used in the aerospace industry due to their excellent in-plane mechanical properties, high corrosion resistance, dimensional stability and fatigue life. Nevertheless, they exhibit poor delamination resistance and damage tolerance, particularly under impact. The lack of reinforcement in the through-thickness direction makes them particularly vulnerable to out-of-plane threats caused by foreign objects, such as ice slabs or open-rotor blade fragments impacting on skin fuselages.
A cost-effective alternative is the use of 3D woven orthogonal reinforcements, in which delamination resistance and damage tolerance are improved by weaving a yarn in the through-thickness direction. This technique allows the combination of several fiber types (hybridization) and enables the optimization of the composite properties by varying the fiber content. Preforms may be infused by using out-of-autoclave processing techniques, such as Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM), leading to considerable cost savings, as opposed to autoclave consolidation.
Despite of the potential of these materials, the use of hybrid 3D woven composites is limited by the lack of experimental data and reliable models able to predict the mechanical response of the material.
This work analyzes the mechanical behavior of a hybrid 3D woven orthogonal composite made up of a thermoset polymeric matrix (epoxy-vinylester) reinforced with carbon and glass fibers, as well as with polyethylene z-yarns in the through-thickness direction.
The mechanical behavior of the material was studied under tension, compression and shear, as well as under high- and low-velocity impact. The mechanical behavior of the yarns, the notch-sensitivity of the composite and its residual strength after impact were also measured. The study includes an extensive inspection campaign carried out by means of X-ray computer tomography, optical and electron microscopy, as well as ultrasounds.
These results provide a critical information about the failure micromechanisms involved in the damage process, which helps to explain the macroscopic properties of the composite.
The influence of hybridization was also discussed under out-of-plane loading, such as drop-weight tests, ballistic impacts and short beam tests. To this end, the hybrid 3D composite was alternatively impacted on the carbon or the glass faces. Regarding the short beam tests, the influence of the z-yarns was also discussed in detail.
A set of analytical models was also included to predict the notch-sensitivity in tension and compression, the delamination load threshold and the ballistic curve of the composite material.
Finally, two mesoscale finite element models were formulated within the continuum damage mechanics framework to simulate the response of the material under high- and low-velocity impact. The first one shows a good correlation with experimental results, especially during low-velocity impact, whereas the second one is suited to predict the ballistic curve and the failure mechanisms during high-velocity impact. The latter is based on the combination of cohesive elements and a mesh superposition technique called embedded
element.
En la actualidad, el uso de materiales compuestos unidireccionales está muy extendido en el sector aeronáutico debido a sus excelentes propiedades mecánicas en el plano, su elevada resistencia a la corrosión, su estabilidad dimensional y su resistencia a fatiga. Sin embargo, su aplicación frente a cargas de impacto presenta el inconveniente de su baja resistencia a la delaminación y tolerancia al daño. La ausencia de refuerzo en la dirección del espesor los hace especialmente vulnerables frente a cargas fuera del plano del laminado, como los impactos de hielo o de fragmentos de pala que puede sufrir la piel del fuselaje de un avión durante su vida en servicio. Una alternativa para mejorar la resistencia a la delaminación y la tolerancia al daño es usar como refuerzo telas con un patrón de entrelazado en tres dimensiones, como los tejidos ortogonales 3D, en los que los hilos horizontales (trama y urdimbre) se entrecruzan con mazos de fibras orientados en la dirección del espesor. Además, es posible emplear distintos tipos de fibras y combinarlas en distintas proporciones, es decir, hibridizar el refuerzo con el fin de optimizar sus propiedades mecánicas. Una vez tejidas, las preformas se impregnan de resina mediante Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM), con el consiguiente ahorro en los costes de producción en comparación con los laminados procesados en autoclave. A pesar de las potenciales ventajas de los materiales compuestos híbridos con refuerzo ortogonal en 3D, su uso está todavía poco extendido debido a la falta de datos experimentales y de modelos que permitan predecir de forma fiable su comportamiento mecánico. En esta tesis se analiza el comportamiento mecánico de un material compuesto formado por un refuerzo ortogonal en 3D de fibras de carbono, de vidrio S2 y de polietileno, e impregnado en una matriz de tipo polimérica termoestable (epoxi-viniléster). El comportamiento de este material se ha estudiado frente a solicitaciones de tracción, compresión, cortadura, e impactos de alta y de baja velocidad. Se ha analizado también el comportamiento mecánico de los mazos de fibras, así como la sensibilidad a la presencia de agujeros y la resistencia residual después de impacto. El estudio incluye una extensa campaña de inspección de los mecanismos de rotura, llevada a cabo mediante tomografía de rayos X, microscopía óptica, microscopía electrónica y ultrasonidos, que ha permitido conocer la influencia de los procesos de daño en las propiedades macroscópicas del material compuesto. También se ha investigado el efecto de la hibridación en los casos de carga fuera del plano del laminado: torre de caída, impacto balístico mediante cañón de gas y flexión de viga corta apoyada en tres puntos. Para ello, se impacta o se indenta alternativamente el material compuesto 3D en la cara más rica en fibra de vidrio o en la cara más rica en fibra de carbono. En el caso de la flexión en tres puntos, se incluye también un estudio comparativo del efecto de los refuerzos de polietileno. El estudio se acompaña de una serie de modelos analíticos que permiten predecir, entre otros, la sensibilidad a la entalla a tracción y compresión, la carga inicial a la que se produce la delaminación o la curva de impacto balístico del material. Finalmente, se proponen dos modelos numéricos, ambos formulados en la mesoescala y basados en la mecánica del daño continuo, para simular la respuesta del material frente a impacto de alta y de baja velocidad. El primero ofrece una buena correlación con los resultados experimentales, especialmente para el caso de impactos mediante torre de caída; el segundo es especialmente adecuado para reproducir la curva balística del material y capturar los mecanismos de fallo correspondientes, y se basa en el uso de elementos cohesivos y en la superposición de mallas no conformes mediante la técnica de elementos embebidos.
En la actualidad, el uso de materiales compuestos unidireccionales está muy extendido en el sector aeronáutico debido a sus excelentes propiedades mecánicas en el plano, su elevada resistencia a la corrosión, su estabilidad dimensional y su resistencia a fatiga. Sin embargo, su aplicación frente a cargas de impacto presenta el inconveniente de su baja resistencia a la delaminación y tolerancia al daño. La ausencia de refuerzo en la dirección del espesor los hace especialmente vulnerables frente a cargas fuera del plano del laminado, como los impactos de hielo o de fragmentos de pala que puede sufrir la piel del fuselaje de un avión durante su vida en servicio. Una alternativa para mejorar la resistencia a la delaminación y la tolerancia al daño es usar como refuerzo telas con un patrón de entrelazado en tres dimensiones, como los tejidos ortogonales 3D, en los que los hilos horizontales (trama y urdimbre) se entrecruzan con mazos de fibras orientados en la dirección del espesor. Además, es posible emplear distintos tipos de fibras y combinarlas en distintas proporciones, es decir, hibridizar el refuerzo con el fin de optimizar sus propiedades mecánicas. Una vez tejidas, las preformas se impregnan de resina mediante Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM), con el consiguiente ahorro en los costes de producción en comparación con los laminados procesados en autoclave. A pesar de las potenciales ventajas de los materiales compuestos híbridos con refuerzo ortogonal en 3D, su uso está todavía poco extendido debido a la falta de datos experimentales y de modelos que permitan predecir de forma fiable su comportamiento mecánico. En esta tesis se analiza el comportamiento mecánico de un material compuesto formado por un refuerzo ortogonal en 3D de fibras de carbono, de vidrio S2 y de polietileno, e impregnado en una matriz de tipo polimérica termoestable (epoxi-viniléster). El comportamiento de este material se ha estudiado frente a solicitaciones de tracción, compresión, cortadura, e impactos de alta y de baja velocidad. Se ha analizado también el comportamiento mecánico de los mazos de fibras, así como la sensibilidad a la presencia de agujeros y la resistencia residual después de impacto. El estudio incluye una extensa campaña de inspección de los mecanismos de rotura, llevada a cabo mediante tomografía de rayos X, microscopía óptica, microscopía electrónica y ultrasonidos, que ha permitido conocer la influencia de los procesos de daño en las propiedades macroscópicas del material compuesto. También se ha investigado el efecto de la hibridación en los casos de carga fuera del plano del laminado: torre de caída, impacto balístico mediante cañón de gas y flexión de viga corta apoyada en tres puntos. Para ello, se impacta o se indenta alternativamente el material compuesto 3D en la cara más rica en fibra de vidrio o en la cara más rica en fibra de carbono. En el caso de la flexión en tres puntos, se incluye también un estudio comparativo del efecto de los refuerzos de polietileno. El estudio se acompaña de una serie de modelos analíticos que permiten predecir, entre otros, la sensibilidad a la entalla a tracción y compresión, la carga inicial a la que se produce la delaminación o la curva de impacto balístico del material. Finalmente, se proponen dos modelos numéricos, ambos formulados en la mesoescala y basados en la mecánica del daño continuo, para simular la respuesta del material frente a impacto de alta y de baja velocidad. El primero ofrece una buena correlación con los resultados experimentales, especialmente para el caso de impactos mediante torre de caída; el segundo es especialmente adecuado para reproducir la curva balística del material y capturar los mecanismos de fallo correspondientes, y se basa en el uso de elementos cohesivos y en la superposición de mallas no conformes mediante la técnica de elementos embebidos.
Description
Keywords
Hybrid 3D woven composites, Mechanical behavior