Publication: Behaviour of carbon/epoxy composite sandwich panels with sustainable core materials subjected intermediate velocity impacts
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Publication date
2022-03
Defense date
2022-03-31
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Abstract
Sandwich composite structures are made of two strong and stiff face-sheets separated by a lightweight core material. They are used in lightweight structures for load-carrying applications in the aerospace, marine, railway and wind-energy industry as a way to increase the bending stiffness and bucking resistance while maintaining a low weight. During their lifetime these structures are subjected to impact events such as the accidental drop of tools during assembly, bird strikes, hailstone impact, or even Foreign Object (FO) impact of stones, debris, etc…. Damage produced by impacts can compromise the integrity of a structure reducing its residual strength and stiffness, causing premature failure of a component under service loads.
This PhD thesis studies the mechanical response, impact process, and damage mechanisms taking place in an Intermediate Velocity Impact (IVI) over a sandwich composite panel made of woven carbon/epoxy face-sheets with either agglomerated cork core or PET foam core. This is done by applying a numerical-experimental methodology based on the building block approach used for aircraft certification in which results obtained from numerical models are directly compared with results obtained in the experimental test. In this context, the thesis is divided into three main parts.
In the first part of this thesis, the face-sheet and core are treated independently to understand their unique dynamic response and select appropriate constitutive material models for the FEA model implementation. Continuous damaged models are used to model the inter-laminar and intra-laminar fracture behaviour in the face-sheets. The suitability of these models is assessed through the implementation of independent FEA models for fracture tests (modes I & II) and ballistic impact which are validated with experimental experiments from the literature. In the case of the core, the compressive and tensile response of the core materials (agglomerated cork and PET foam) is studied by performing static and dynamic characterization tests. The collected data is then used for the validation of the non-linear material models by implementing an FEA model for dynamic compression.
The second part of this thesis studies the IVI event of the whole sandwich panel. This is done by performing a set of experimental impact tests and implementing a detailed explicit/nonlinear FEA model, which is validated against experimental results. The experimental tests are performed using a gas gun together with a different state of the art measuring techniques such as high-speed video recording, 3D Digital Image Correlation x
(DIC) and Computed X-ray Tomography (CT). The FEA model is successfully validated and it is used to study the phases and mechanisms of damage evolution present during the impact process, something that is not possible to obtain experimentally and provides a valuable tool to understand the phenomenon. At the most general level, the impact process is dominated by different interacting physical mechanisms such as elastic deformation of the panel, inter-laminar and intra-laminar fracture of the face-sheets, non-linear core deformation, multiaxial core failure and core-face-sheet debonding. Different impact phases are observed and their physical mechanisms explained in detail. The FEA model is also used to perform a comparative analysis of different impact parameters (e.g. impact velocity, core thickness, impact angle, and axial preload) analysing their influence in the mechanical response of the sandwich panels under IVI.
The third part of this thesis studies the hailstone impact over the sandwich panels using the developed FEA model of the sandwich panel together with a particles model for the hailstone. The interaction between the dominant physical mechanisms in the sandwich panel (e.g. elastic response, face-sheet damage, core failure, etc…) and the fragmentation of the hailstone are explained in detail together with some failure modes expected in this kind of event and the severity of the impact extended for two different hailstone sizes.
Las estructuras tipo sándwich están compuestas a partir de dos placas rígidas y resistentes separadas por un núcleo liviano. Se utilizan en estructuras ligeras en industrias como la aeroespacial, marina, ferroviaria y eólica como una forma de aumentar la rigidez a la flexión y la resistencia al pandeo, manteniendo un peso reducido. Durante su vida útil, estas estructuras están sujetas a eventos de impacto, como la caída accidental de herramientas durante el montaje, impactos de pájaros, impactos de granizo o incluso impactos de objetos extraños (piedras, escombros, etc…). Los daños producidos por impactos pueden comprometer la integridad de una estructura reduciendo su resistencia y rigidez residuales, provocando la falla prematura de un componente bajo cargas de servicio. Esta tesis doctoral estudia la respuesta mecánica, el proceso de impacto y los mecanismos de daño que tienen lugar en un impacto de velocidad intermedia (IVI) sobre un panel sándwich fabricado a partir de laminados de tejido de carbono/epoxi con núcleo de corcho aglomerado o núcleo de espuma PET. El estudio se realiza mediante la aplicación de una metodología numérico-experimental basada en el enfoque de bloques de construcción utilizado típicamente para la certificación de aeronaves en el que los resultados obtenidos de los modelos numéricos se comparan directamente con los resultados obtenidos en la prueba experimental. En este contexto, la tesis se divide en tres partes principales. En la primera parte, el laminado y el núcleo se tratan de forma independiente para comprender su respuesta dinámica única y seleccionar modelos de materiales constitutivos apropiados para la implementación del modelo FEA. Se utilizan modelos de daño continuo para modelar el comportamiento de fractura inter-laminar e intra-laminar en las laminados. La idoneidad de estos modelos se evalúa mediante la implementación de modelos FEA independientes para ensayos de fractura (modos I y II) e impacto balístico que se validan con datos experimentales de la literatura. En el caso del núcleo, se estudia la respuesta a compresión y tracción de los materiales del núcleo (corcho aglomerado y espuma PET) mediante la realización de ensayos de caracterización estática y dinámica. Los datos recopilados se utilizan para validar los modelos de materiales no lineales mediante la implementación de un modelo FEA para compresión dinámica. La segunda parte de esta tesis estudia el evento IVI del panel sándwich completo. Se ha realizado un conjunto de pruebas de impacto experimentales e implementando un modelo FEA explícito/no-lineal detallado que se valida con resultados experimentales. Para las pruebas de impacto se utiliza un cañon de gas empleando diferentes técnicas de medición de última generación como grabación de video de alta velocidad, la correlación de imágenes digitales (DIC) en 3D y tomografía de rayos X computarizada (CT). El modelo FEA se valida satisfactoriamente y se utiliza para estudiar las fases y mecanismos de evolución del daño que ocurren durante el impacto; algo que no es posible experimentalmente y que proporciona una valiosa herramienta para comprender el fenómeno. A nivel general, el proceso de impacto está dominado por diferentes mecanismos físicos que interactúan entre si como la deformación elástica del panel, la fractura inter-laminar e intra-laminar de los laminados, la deformación no lineal del núcleo, la falla multiaxial del núcleo y el despegue entre núcleo y laminado. Se observan diferentes fases de impacto y se explican en detalle sus mecanismos físicos. El modelo FEA también se utiliza para realizar un análisis comparativo de diferentes parámetros del problema (por ejemplo, velocidad de impacto, espesor del núcleo, ángulo de impacto y precarga axial) analizando su influencia en la respuesta mecánica de los paneles sándwich bajo IVI. La tercera parte de esta tesis estudia el impacto del granizo en los paneles sándwich utilizando el modelo FEA desarrollado del panel sándwich junto con un modelo de partículas para el granizo. Se explica en detalle la interacción entre los mecanismos físicos dominantes en el panel sándwich (por ejemplo, respuesta elástica, daño en la cara frontal, falla del núcleo, etc.) y la fragmentación del granizo asi como algunos modos de falla esperados en este tipo de evento y la severidad de la extensión de daño asumiendo dos tamaños diferentes de granizo.
Las estructuras tipo sándwich están compuestas a partir de dos placas rígidas y resistentes separadas por un núcleo liviano. Se utilizan en estructuras ligeras en industrias como la aeroespacial, marina, ferroviaria y eólica como una forma de aumentar la rigidez a la flexión y la resistencia al pandeo, manteniendo un peso reducido. Durante su vida útil, estas estructuras están sujetas a eventos de impacto, como la caída accidental de herramientas durante el montaje, impactos de pájaros, impactos de granizo o incluso impactos de objetos extraños (piedras, escombros, etc…). Los daños producidos por impactos pueden comprometer la integridad de una estructura reduciendo su resistencia y rigidez residuales, provocando la falla prematura de un componente bajo cargas de servicio. Esta tesis doctoral estudia la respuesta mecánica, el proceso de impacto y los mecanismos de daño que tienen lugar en un impacto de velocidad intermedia (IVI) sobre un panel sándwich fabricado a partir de laminados de tejido de carbono/epoxi con núcleo de corcho aglomerado o núcleo de espuma PET. El estudio se realiza mediante la aplicación de una metodología numérico-experimental basada en el enfoque de bloques de construcción utilizado típicamente para la certificación de aeronaves en el que los resultados obtenidos de los modelos numéricos se comparan directamente con los resultados obtenidos en la prueba experimental. En este contexto, la tesis se divide en tres partes principales. En la primera parte, el laminado y el núcleo se tratan de forma independiente para comprender su respuesta dinámica única y seleccionar modelos de materiales constitutivos apropiados para la implementación del modelo FEA. Se utilizan modelos de daño continuo para modelar el comportamiento de fractura inter-laminar e intra-laminar en las laminados. La idoneidad de estos modelos se evalúa mediante la implementación de modelos FEA independientes para ensayos de fractura (modos I y II) e impacto balístico que se validan con datos experimentales de la literatura. En el caso del núcleo, se estudia la respuesta a compresión y tracción de los materiales del núcleo (corcho aglomerado y espuma PET) mediante la realización de ensayos de caracterización estática y dinámica. Los datos recopilados se utilizan para validar los modelos de materiales no lineales mediante la implementación de un modelo FEA para compresión dinámica. La segunda parte de esta tesis estudia el evento IVI del panel sándwich completo. Se ha realizado un conjunto de pruebas de impacto experimentales e implementando un modelo FEA explícito/no-lineal detallado que se valida con resultados experimentales. Para las pruebas de impacto se utiliza un cañon de gas empleando diferentes técnicas de medición de última generación como grabación de video de alta velocidad, la correlación de imágenes digitales (DIC) en 3D y tomografía de rayos X computarizada (CT). El modelo FEA se valida satisfactoriamente y se utiliza para estudiar las fases y mecanismos de evolución del daño que ocurren durante el impacto; algo que no es posible experimentalmente y que proporciona una valiosa herramienta para comprender el fenómeno. A nivel general, el proceso de impacto está dominado por diferentes mecanismos físicos que interactúan entre si como la deformación elástica del panel, la fractura inter-laminar e intra-laminar de los laminados, la deformación no lineal del núcleo, la falla multiaxial del núcleo y el despegue entre núcleo y laminado. Se observan diferentes fases de impacto y se explican en detalle sus mecanismos físicos. El modelo FEA también se utiliza para realizar un análisis comparativo de diferentes parámetros del problema (por ejemplo, velocidad de impacto, espesor del núcleo, ángulo de impacto y precarga axial) analizando su influencia en la respuesta mecánica de los paneles sándwich bajo IVI. La tercera parte de esta tesis estudia el impacto del granizo en los paneles sándwich utilizando el modelo FEA desarrollado del panel sándwich junto con un modelo de partículas para el granizo. Se explica en detalle la interacción entre los mecanismos físicos dominantes en el panel sándwich (por ejemplo, respuesta elástica, daño en la cara frontal, falla del núcleo, etc.) y la fragmentación del granizo asi como algunos modos de falla esperados en este tipo de evento y la severidad de la extensión de daño asumiendo dos tamaños diferentes de granizo.
Description
Keywords
Sandwich panel, Impact behaviour, Finite element analysis (FEA), Numerical analysis, Carbon epoxy composite, Continuum damage model