On the study of delamination and failure of composite materials under static and cyclic loads

Abstract

(English) Composite materials, particularly fiber-reinforced polymers and fiber metal laminates have gained significant attention in industries such as aerospace, automotive, and marine engineering due to their high strength-to-weight ratio, excellent fatigue resistance, and corrosion durability. Despite these advantages, their structural performance is often limited by various damage mechanisms, including fiber failure, matrix cracking, and delamination. Among these, delamination is one of the most critical failure modes, as it can significantly compromise structural integrity. The accurate prediction and modeling of delamination and its interaction with other damage mechanisms remain a major challenge in the field of computational mechanics. This thesis aims to develop a robust constitutive model capable of predicting these failure mechanisms within a homogenized framework, enabling computationally efficient and physically realistic simulations. The research begins with an extensive evaluation of existing models for intra-laminar and inter-laminar damage mechanisms. Conventional modeling approaches, including stress-strength-based criteria, fracture mechanics methods, and cohesive zone models, are examined to determine their suitability for delamination damage prediction. By utilizing previously developed numerical frameworks within Kratos Multiphysics, the fundamental aspects of damage modeling are explored and benchmarked against experimental data. The key challenge addressed in this thesis is the integration of these theories into a homogenized computational approach, which eliminates the need for explicit layer-wise modeling while preserving accuracy in capturing damage initiation and propagation. To achieve this, a delamination homogenization theory is developed, allowing for the efficient representation of inter-laminar failure without the computational burden of explicitly modeling each interface. This framework is further extended to cyclic loading conditions, where fatigue-induced damage plays a crucial role in long-term structural degradation. The fatigue model incorporates a damage evolution law calibrated against experimental S-N curves, enabling the accurate prediction of crack growth rates (da/dN) under various loading conditions. The proposed methodology is validated through standardized benchmark test cases, demonstrating its capability in capturing both intra-laminar and inter-laminar damage progression. The applicability of the developed model is assessed through a series of component-level simulations to ensure its real-world usability. One of the primary case studies involves the open-hole problem, a well-known benchmark in composite mechanics, which is analyzed under both tensile and bending conditions. These simulations help evaluate stress concentration effects and the initiation and growth of delamination cracks. Additionally, a cross-beam member—previously studied with a steel material—is reanalyzed using a composite material, incorporating both delamination and intra-layer damage mechanisms. These case studies illustrate the efficiency and accuracy of the homogenized approach in predicting failure mechanisms under complex loading and geometrical conditions. The findings of this research contribute to the advancement of composite damage modeling by offering a computationally efficient framework for predicting delamination and intra-laminar damage. The homogenized approach significantly reduces preprocessing complexity while maintaining a high level of accuracy in failure prediction, making it particularly suitable for large-scale structural applications. Future research directions include incorporating fiber bridging effects, extending the framework to dynamic and thermal loading conditions, and utilizing mixed strain/displacement finite elements. Additionally, the application of machine learning techniques to enhance predictive capabilities presents an exciting avenue for further investigation.

(Català) Els materials compostos, especialment els polímers reforçats amb fibra (FRPs) i els laminats híbrids fibra-metall (FMLs), han estat àmpliament utilitzats en sectors com la indústria aeroespacial, l’automobilística i la naval a causa de la seva alta relació resistència-pes, la seva bona resistència a la fatiga i la seva durabilitat davant la corrosió. No obstant això, el seu comportament estructural es veu limitat per diversos mecanismes de dany, entre els quals la delaminació és una de les falles més crítiques, ja que pot comprometre significativament la integritat estructural del laminat. La predicció precisa d’aquest fenomen i la seva interacció amb altres mecanismes de deteriorament continua sent un repte en la mecànica computacional. En aquest context, la present tesi té com a objectiu desenvolupar un model constitutiu robust capaç de predir aquests mecanismes de dany dins d’un marc homogenitzat, la qual cosa permet simulacions eficients i més pròximes a la realitat a la realitat. La recerca s’inicia amb una avaluació detallada dels models existents per als danys intra i interlaminars. S’estudien diversos dels mètodes convencionals més utilitzats, com els criteris d’esforç-resistència, la mecànica de fractura i els models de zona cohesiva, amb la finalitat de determinar la seva aplicabilitat a la predicció de la delaminació. A partir d’aquestes bases, es desenvolupa una formulació homogenitzada que permet representar la fallada interlaminar sense necessitat de modelar explícitament cada interfície, reduint així la complexitat computacional i els costos de simulació. Posteriorment, el model s’amplia per considerar condicions de càrrega cíclica, on el dany induït per fatiga és un factor clau en la degradació estructural a llarg termini. S’introdueix una evolució del dany calibrada amb corbes S-N experimentals, permetent predir taxes de creixement d’esquerda (da/dN) en diferents condicions de càrrega. La validació del model es duu a terme mitjançant casos de referència estandarditzats, demostrant la seva capacitat per reproduir de manera precisa l’evolució del dany intra i interlaminar. Per avaluar la seva aplicabilitat en escenaris reals, el model s’utilitza en simulacions a nivell de component. S’estudia el problema del forat obert en compostos sotmesos a tensió i flexió, cosa que permet analitzar els efectes de concentració d’esforços i l’inici i propagació de la delaminació. A més, es reexamina un component estructural prèviament analitzat amb material metàl·lic, ara considerant una configuració de material compost, fet que permet avaluar l’efecte combinat de la delaminació i el dany intralaminar en una geometria complexa. Els resultats obtinguts mostren que la metodologia proposada representa un avenç en la modelització del dany en materials compostos en proporcionar un marc computacional eficient que manté una alta precisió en la predicció de fallades. L’enfocament homogenitzat facilita la implementació en simulacions a gran escala i redueix la complexitat en la fase de preprocessament. Com a possibles línies futures, es planteja la incorporació d’efectes de pontatge de fibres, l’extensió del model a càrregues dinàmiques i tèrmiques, i l’aplicació de tècniques d’aprenentatge automàtic per millorar la seva capacitat predictiva. En conclusió, aquesta tesi ofereix una eina valuosa per a enginyers i investigadors en el camp dels materials compostos, que facilita el disseny i l’optimització d’estructures d’alt rendiment i contribueix al desenvolupament de models predictius més eficients i aplicables en l’àmbit de l’enginyeria estructural.

(Español) Los materiales compuestos, especialmente los polímeros reforzados con fibra (FRPs) y los Laminados híbridos fibra-metal (FMLs), han sido ampliamente utilizados en sectores como la industria aeroespacial, automotriz y naval debido a su alta relación resistencia-peso, su buena resistencia a la fatiga y su durabilidad ante la corrosión. Sin embargo, su desempeño estructural se ve limitado por diversos mecanismos de daño, entre los cuales la delaminación es una de los modos de fallo más críticos, ya que puede comprometer significativamente la integridad estructural del laminado. La predicción precisa de este fenómeno y su interacción con otros mecanismos de deterioro sigue siendo un desafío en la mecánica computacional. En este contexto, la presente tesis tiene como objetivo desarrollar un modelo constitutivo robusto capaz de predecir estos mecanismos de daño dentro de un marco homogenizado, lo que permite simulaciones eficientes y fieles a la realidad. La investigación inicia con una evaluación detallada de los modelos existentes para la modelización de daños intra e interlaminares. Se estudian varios de los métodos convencionales más utilizados como los criterios de esfuerzo-resistencia, la mecánica de fractura y los modelos de zona cohesiva, con el fin de determinar su aplicabilidad a la predicción de la delaminación. A partir de estas bases, se desarrolla una formulación homogenizada que permite representar el fallo interlaminar sin necesidad de modelar explícitamente cada interfaz, reduciendo así la complejidad computacional y los costos de simulación. Posteriormente, el modelo es ampliado para considerar condiciones de carga cíclica, donde el daño inducido por fatiga es un factor clave en la degradación estructural a largo plazo. Se introduce una evolución del daño calibrada con curvas S-N experimentales, permitiendo predecir tasas de crecimiento de grieta (da/dN) en diferentes condiciones de carga. La validación del modelo se lleva a cabo mediante casos de referencia estandarizados, demostrando su capacidad para reproducir de manera precisa la evolución del daño intra e interlaminar. Para evaluar su aplicabilidad en escenarios reales, el modelo se emplea en simulaciones a nivel de componente. Se estudia el problema del orificio abierto en compuestos sometidos a tracción y flexión, lo que permite analizar los efectos de concentración de esfuerzos y el inicio y propagación de la delaminación. Además, se reexamina un componente estructural previamente analizado con material metálico, ahora considerando una configuración de material compuesto, lo que permite evaluar el efecto combinado de la delaminación y el daño intralaminar en una geometría compleja. Los resultados obtenidos muestran que la metodología propuesta representa un avance en la modelización del daño en materiales compuestos al proporcionar un marco computacional eficiente que mantiene una alta precisión en la predicción de fallas. El enfoque homogenizado facilita la implementación en simulaciones de gran escala y reduce la complejidad en la fase de preprocesamiento. Como posibles líneas futuras, se plantea la incorporación de efectos de puenteo de fibras, la extensión del modelo a cargas dinámicas y térmicas, y la aplicación de técnicas de aprendizaje automático para mejorar su capacidad predictiva. En conclusión, esta tesis ofrece una herramienta valiosa para ingenieros e investigadores en el campo de los materiales compuestos, que facilita el diseño y optimización de estructuras de alto rendimiento y contribuye al desarrollo de modelos predictivos más eficientes y aplicables en el ámbito de la ingeniería estructural.