On the generation of design allowables of composite coupons accounting for defects using a multi-fidelity approach

Abstract

Composite structures play a crucial role in lightweight applications due to their exceptional mechanical performance and low density. However, their anisotropic behavior and susceptibility to uncertainties, such as manufacturing defects, bring challenges during the design process. Traditional approaches involving extensive testing are being replaced by computational simulations for efficiency and cost-effectiveness. These simulations not only replace traditional methods but also yield a multitude of results, accommodating various uncertainties. Design allowables are widely used as design values which account for all the uncertainties associated with composite structures. Obtaining these values requires accurate computational models and a thorough analysis of the composite structure behavior. Moreover, microstructural mechanics aids in understanding both their mechanical behavior and the sources of variability. This thesis addresses the need for accurate virtual calculation of design allowables that account for inherent uncertainties and manufacturing defects in composite structures. Therefore, computational tools that systematically propagate uncertainties and provide statistical parameters representing material behavior are developed. The research contributes to both the accuracy and efficiency of composite structures design, aligning with the industry's shift toward more cost-effective and practical methodologies. To achieve these objectives, the thesis focuses on three main components: statistical modeling for design allowables, computational analysis for mechanical response simulations, and an advanced micromechanical model for understanding material behavior at the micro-scale. Each component contributes to a comprehensive framework for managing and mitigating uncertainties effectively in composite materials. The thesis is structured into several parts, including a literature review, peer-reviewed publications, and a discussion of results and conclusions. Through the development and validation of these models, the research contributes not only to the understanding of uncertainties in composite structures but also provides valuable tools for engineers to optimize designs iteratively and rigorously

Les estructures de material compost són altament utilitzades per estructures que requereixen ser lleugeres gràcies al seu rendiment mecànic excepcional i baixa densitat. No obstant això, el seu comportament anisotròpic i la susceptibilitat a incerteses, com ara defectes de fabricació, plantegen reptes durant el procés de disseny. Els enfocaments tradicionals involucraven proves experimentals extenses. Actualment, aquestes estan sent substituïdes per simulacions computacionals que són molt més eficients i rendibles. Aquestes no només reemplacen els mètodes tradicionals, sinó que també proporcionen una gran quantitat de resultats, tenint en compte les diverses incerteses. Els admissibles de disseny són àmpliament utilitzats com a paràmetres de disseny que tenen en compte totes les incerteses associades amb les estructures de materials compost. Obtenir aquests valors requereix models computacionals precisos i una anàlisi exhaustiva del comportament de l'estructura composta. A més, la mecànica microestructural ajuda a comprendre tant el seu comportament mecànic com les fonts de variabilitat. Aquesta tesi aborda la necessitat de predir virtualment admissibles de disseny precisos que tinguin en compte les incerteses inherents i els defectes de fabricació en estructures compostes. Així doncs, eines computacionals que propaguin sistemàticament les incerteses i proporcionin paràmetres estadístics que representin el comportament del material són desenvolupades. La recerca contribueix tant a la precisió com a l'eficiència del disseny d'estructures compostes, alineant-se amb el canvi de la indústria cap a metodologies més econòmiques i pràctiques. Per assolir aquests objectius, la tesi es centra en tres parts principals: la modelització estadística per obtenir admissibles de disseny, l'anàlisi computacional mitjançant simulacions per obtenir una resposta mecànica i el desenvolupament d'un model micromecànic per comprendre el comportament del material a l'escala microscòpica. Cadascuna de les parts contribueix a un marc complet per gestionar i mitigar eficaçment les incerteses en els materials compostos. La tesi s'estructura en diverses parts, incloent una revisió bibliogràfica, publicacions avaluades per experts i una discussió dels resultats i les conclusions. Mitjançant el desenvolupament i la validació d'aquests models, la recerca contribueix no només a la comprensió de les incerteses en les estructures compostes, sinó que també proporciona eines valuoses per als enginyers per poder optimitzar els dissenys de manera iterativa i rigorosa