Publication: Theoretical and finite element approaches to model the phenomenon of high velocity impact on GFRP plates
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Publication date
2019-09
Defense date
2019-10-18
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Abstract
Composite materials are widely used nowadays to build structures and protections. Their
good mechanical properties along with their light weight has lead to an increase in the
use of these materials over the last decades. Specifically, Glass Fibre Reinforced Polymers
(GFRP) plates are really resistant to corrosion and permeable to electromagnetic waves.
Because of that, GFRP are suitable for naval and telecommunication applications.
Although these structures may not be designed as protections they may be subjected
to different kind of impacts during their service life. Since some elements can be critical,
safety must be ensured and thus engineers need a deeper knowledge of the impact
performance. That is why the development of analytical, theoretical and finite element
models is a hot topic in order to predict critical design factors such as the ballistic limit.
This doctoral thesis focuses on the modelling of the high-velocity impact phenomenon
through different approaches in order to reproduce better the effects that take place
during a high-velocity impact.
First of all, a wide set of experiments have been carried out to obtain the data
necessary for the models. Characterization tests have been carried out to know the
mechanical properties needed for the models. Furthermore, ballistic impact tests have
been performed on 9 mm thick specimens. In addition, non-destructive inspection tests
have been carried out to evaluate the damaged area after impact.
After that, two non-dimensional energy-based theoretical models are presented in
order to predict the ballistic behaviour of woven GFRP plates. Some important nondimensional
groups that are useful to analyze the behaviour and validity of the models
appear naturally using this formulation. Hypotheses based on physical phenomena are
also taken into account in the formulation.
Then, a finite element model is developed by means of a new constitutive model and
a continuum damage mechanics approach to predict the performance of GFRP plates
under high-velocity impact. In addition, the failure modes of this model are formulated
in such a way that allows to associate the energy dissipated by each of them to the energy
absorption mechanisms defined in the theoretical models.
Finally, some of the new hypotheses assumed in the theoretical models are validated
with the finite element one. Furthermore, the energy absorption mechanisms are compared
between both approaches to draw enlightening conclusions.
Los materiales compuestos se utilizan ampliamente en la actualidad para construir estructuras y protecciones. Sus buenas propiedades mecánicas junto con su bajo peso específico han favorecido un incremento en el uso de estos materiales durante las últimas décadas. En concreto, los laminados reforzados con fibra de vidrio (GFRP en inglés) son muy resistentes a la corrosión y permeables a las ondas electromagnéticas. Por esta razón, los GFRP son indicados para aplicaciones navales y de telecomunicaciones. Aunque estas estructuras pueden no estar diseñadas como protecciones, son susceptibles de estar sometidas a diferentes tipos de impacto durante su vida útil. Dado que algunos elementos pueden ser críticos, se debe asegurar la seguridad y por lo tanto, los ingenieros necesitan un conocimiento más profundo del comportamiento frente a impacto. Es por ello que el desarrollo de modelos teóricos y de elementos finitos es una línea de investigación de interés que permite predecir factores de diseño críticos como el límite balístico. Esta tesis doctoral está enfocada en la modelización del fenómeno de impacto a alta velocidad a través de diferentes métodos para poder reproducir de la manera más fidedigna los efectos que tienen lugar durante un impacto a alta velocidad. Primero, se ha llevado a cabo un gran número de experimentos con el objetivo de obtener los datos necesarios para los modelos desarrollados. Se han realizado experimentos de caracterización mecánica para determinar las propiedades requeridas por los modelos. Además, se han llevado a cabo ensayos de impacto balístico en especímenes de 9 mm de espesor. Igualmente, se han realizado ensayos de inspección no destructiva (IND) para evaluar el área dañada del laminado después de impacto. Posteriormente, se presentan dos modelos teóricos no dimensionales basados en criterios energéticos para predecir el comportamiento balístico en laminados GFRP. Algunos grupos no dimensionales que son útiles para analizar el comportamiento y la validez de los modelos aparecen de forma natural al utilizar esta formulación. En la formulación se tienen en cuenta hipótesis basadas en fenómenos físicos. A continuación, se desarrolla un modelo de elementos finitos mediante un modelo constitutivo a través de un modelo de daño continuo para predecir el comportamiento de los laminados GFRP frente a impactos de alta velocidad. Además, los modos de fallo están formulados de tal forma que la energía disipada por cada uno de ellos se puede asociar a los mecanismos de absorción de energía definidos en los modelos teóricos. Por último, algunas de las nuevas hipótesis asumidas en los modelos teóricos se han validado con el modelo de elementos finitos. Los mecanismos de absorción de energía se comparan entre los modelos teóricos y el modelo de elementos finitos para extraer conclusiones esclarecedoras.
Los materiales compuestos se utilizan ampliamente en la actualidad para construir estructuras y protecciones. Sus buenas propiedades mecánicas junto con su bajo peso específico han favorecido un incremento en el uso de estos materiales durante las últimas décadas. En concreto, los laminados reforzados con fibra de vidrio (GFRP en inglés) son muy resistentes a la corrosión y permeables a las ondas electromagnéticas. Por esta razón, los GFRP son indicados para aplicaciones navales y de telecomunicaciones. Aunque estas estructuras pueden no estar diseñadas como protecciones, son susceptibles de estar sometidas a diferentes tipos de impacto durante su vida útil. Dado que algunos elementos pueden ser críticos, se debe asegurar la seguridad y por lo tanto, los ingenieros necesitan un conocimiento más profundo del comportamiento frente a impacto. Es por ello que el desarrollo de modelos teóricos y de elementos finitos es una línea de investigación de interés que permite predecir factores de diseño críticos como el límite balístico. Esta tesis doctoral está enfocada en la modelización del fenómeno de impacto a alta velocidad a través de diferentes métodos para poder reproducir de la manera más fidedigna los efectos que tienen lugar durante un impacto a alta velocidad. Primero, se ha llevado a cabo un gran número de experimentos con el objetivo de obtener los datos necesarios para los modelos desarrollados. Se han realizado experimentos de caracterización mecánica para determinar las propiedades requeridas por los modelos. Además, se han llevado a cabo ensayos de impacto balístico en especímenes de 9 mm de espesor. Igualmente, se han realizado ensayos de inspección no destructiva (IND) para evaluar el área dañada del laminado después de impacto. Posteriormente, se presentan dos modelos teóricos no dimensionales basados en criterios energéticos para predecir el comportamiento balístico en laminados GFRP. Algunos grupos no dimensionales que son útiles para analizar el comportamiento y la validez de los modelos aparecen de forma natural al utilizar esta formulación. En la formulación se tienen en cuenta hipótesis basadas en fenómenos físicos. A continuación, se desarrolla un modelo de elementos finitos mediante un modelo constitutivo a través de un modelo de daño continuo para predecir el comportamiento de los laminados GFRP frente a impactos de alta velocidad. Además, los modos de fallo están formulados de tal forma que la energía disipada por cada uno de ellos se puede asociar a los mecanismos de absorción de energía definidos en los modelos teóricos. Por último, algunas de las nuevas hipótesis asumidas en los modelos teóricos se han validado con el modelo de elementos finitos. Los mecanismos de absorción de energía se comparan entre los modelos teóricos y el modelo de elementos finitos para extraer conclusiones esclarecedoras.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Composite materials, Glass Fibre Reinforced Polymers (GFRP), High-velocity impact, Mechanical properties, Finite element model