Variable mixed-mode delamination in composite laminates under fatigue conditions: testing & analysis

Abstract

La majoria de les fallades en elements estructurals són degudes a càrrega per fatiga. En conseqüència, la fatiga mecànica és un factor clau per al disseny d'elements mecànics. En el cas de materials compòsits laminats, el procés de fallada per fatiga inclou diferents mecanismes de dany que resulten en la degradació del material. Un dels mecanismes de dany més importants és la delaminació entre capes del laminat. En el cas de components aeronàutics, les plaques de composit estan exposades a impactes i les delaminacions apareixen facilment en un laminat després d'un impacte. Molts components fets de compòsit tenen formes corbes, superposició de capes i capes amb diferents orientacions que fan que la delaminació es propagui en un mode mixt que depen de la grandària de la delaminació. És a dir, les delaminacions generalment es propaguen en mode mixt variable. És per això que és important desenvolupar nous mètodes per caracteritzar el creixement subcrític en mode mixt per fatiga de les delaminacions. El principal objectiu d'aquest treball és la caracterització del creixement en mode mixt variable de les delaminacions en compòsits laminats per efecte de càrregues a fatiga. Amb aquest fi, es proposa un nou model per al creixement per fatiga de la delaminació en mode mixt. Contràriament als models ja existents, el model que es proposa es formula d'acord a la variació no-monotònica dels paràmetres de propagació amb el mode mixt observada en diferents resultats experimentals. A més, es du a terme un anàlisi de l'assaig mixed-mode end load split (MMELS), la característica més important del qual és la variació del mode mixt a mesura que la delaminació creix. Per a aquest anàlisi, es tenen em compte dos mètodes teòrics presents en la literatura. No obstant, les expressions resultants per l'assaig MMELS no són equivalents i les diferències entre els dos mètodes poden ser importants, fins a 50 vegades. Per aquest motiu, en aquest treball es porta a terme un anàlisi alternatiu més acurat del MMELS per tal d'establir una comparació. Aquest anàlisi alternatiu es basa en el mètode dels elements finits i virtual crack closure technique (VCCT). D'aquest anàlisi en resulten importants aspectes a considerar per a la bona caracterització de materials utilitzant l'assaig MMELS. Durant l'estudi s'ha dissenyat i construït un utillatge per l'assaig MMELS. Per a la caracterització experimental de la propagació per fatiga de delaminacions en mode mixt variable s'utilitzen diferents provetes de laminats carboni/epoxy essencialment unidireccionals. També es du a terme un anàlisi fractogràfic d'algunes de les superfícies de fractura per delaminació. Els resultats experimentals són comparats amb les prediccions del model proposat per la propagació per fatiga d'esquerdes interlaminars.

Most of the failures in structural elements in use are a consequence of mechanical fatigue. Therefore, fatigue is a decisive factor in designing durable mechanical elements. In laminated composite materials, the fatigue process involves different damage mechanisms that result in the degradation of the material. One of the most important damage mechanisms is the delamination between plies of the laminate. In aeronautical applications, composite plates are sensitive to impact and delamination occurs readily in composite laminates on impact. Many composite components have curved shapes, tapered thickness and plies with different orientations, which make the delamination grow with a mode mix that depends on the extent of the crack. Thus, delaminations generally grow under varying mode mix. It is therefore important to develop methods that can characterise subcritical, mixed-mode growth in fatigue delamination. The main objective of the present investigation is the characterisation of the variable mixed-mode delamination in composite laminates under fatigue conditions. To this end, a mixed-mode fatigue delamination model is proposed. Oppositely to the mixed-mode fatigue delamination models present in the literature, the proposed model takes into account the non-monotonic variation of the propagation parameters with the mode mix observed in different experimental data. Moreover, the mixed-mode end load split (MMELS) test, which main characteristic is that the propagation mode of the interlaminar crack varies with the crack extent, is analysed. Two theoretical approaches present in the literature are considered. However, the resulting expressions for the MMELS test are not equivalent and the differences between approaches can be up to 50 times. A more accurate alternative analysis of the MMELS test is carried out in the present study for comparison. The alternative analysis is based on the finite element method and the virtual crack closure technique. Significant findings are found for precise materials characterisation using the MMELS test. A MMELS test rig is also designed and built. Different specimens of essentially unidirectional carbon/epoxy laminates are tested for the experimental characterisation of fatigue delamination under varying mode mix. A fractographic analysis is also conducted in some of the delaminated fracture surfaces. The experimental results are compared to the predictions of a proposed model for the fatigue propagation of interlaminar cracks.