Finite element modeling of delamination in advanced composite beams and plates using one- and two-dimensional finite elements based on the refined zigzag theory

Abstract

Although laminated materials have been used for decades, their employment has increased nowadays in the last years as a result of the gained confidence of the industry on these materials. This has provided the scientific community many reasons to dedicate considerable amount of time and efforts to address a better understanding of their mechanical behavior. With this objective both, experimental and numerical simulation have been working together to give response to a variety of problems related with these materials. Regarding numerical simulation, a correct modeling of the kinematics of laminated materials is essential to capture the real behavior of the structure. Moreover, once the kinematics of the structure has been accurately predicted other non-linear phenomena such as damage and/or plasticity process could be also studied. In consequence, in order to contribute to the constant development of simpler and more efficient numerical tools to model laminated materials, a numerical method for modeling mode II/III delamination in advanced composite materials using one- and two-dimensional finite elements is proposed in this work. In addition, two finite elements base on a zigzag theory for simulating highly heterogeneous multilayered beams and plates structures are developed here. The document is written based on results of four papers published in indexed journals. Copies of all these papers are included in Appendix. The main body of this thesis is constituted by Chapters 2 to 4. Chapter 2 deals with the numerical treatment of laminated beams and plates. Chapter 3 presents the formulation of the LRZ beam and the QLRZ plate finite elements based on the Refined Zigzag Theory. Finally, the main contribution of this thesis, the LRZ/QLRZ delamination model, is developed in Chapter 4.

Aunque los materiales laminados se han utilizado durante décadas, su uso ha aumentado en los últimos años como resultado de una mayor confianza por parte de la industria. Esto ha proporcionado a la comunidad científica muchas razones para dedicar una considerable cantidad de tiempo y esfuerzos en aras de una mejor comprensión de su comportamiento mecánico. Con este objetivo tanto la simulación experimental como numérica han estado trabajando juntos para dar respuesta a una variedad de problemas relacionados con estos materiales. En cuanto a la simulación numérica, un correcto modelado de la cinemática de los materiales laminados es esencial para capturar el comportamiento real de la estructura. Por otra parte, una vez que la cinemática de la estructura se ha predicho con precisión otros fenómenos no lineales como los proceso de daño y/o plasticidad podrían ser también estudiados. En consecuencia, con el fin de contribuir al constante desarrollo de herramientas numéricas más simples y eficaces para modelar materiales laminados, un método numérico para el modelado de la delaminación (modo II/III) en materiales compuestos avanzados utilizando elementos finitos de una y dos dimensiones es propuesto en este trabajo. Además, dos elementos finitos para la simulación de vigas y placas de varias capas altamente heterogéneos son desarrollados aquí. El documento está escrito en base a los resultados de cuatro artículos publicados en revistas indexadas. Copias de estos artículos se incluyen en el Apéndice. El cuerpo principal de esta tesis está constituido por los Capítulos 2-4. El Capítulo 2 aborda el tratamiento numérico de vigas y placas laminadas. El capítulo 3 presenta la formulación de los elementos finitos de viga LRZ y placa QLRZ basados en la Teoría Zigzag Refinada. Finalmente, la principal contribución de esta tesis, el modelo de delaminación LRZ/QLRZ, se desarrolla en el capítulo 4.