Modelação numérica de delaminação em compósitos

Abstract

Atualmente os materiais compósitos transformaram-se numa vantajosa opção relativamente aos materiais tradicionais devido, em grande parte, às altas resistência e rigidez específicas, havendo assim um aumento significativo do uso destes. Os mecanismos de fratura de um material compósito laminado, são porém inúmeros e complexos. A delaminação é o mais relevante quanto à instabilidade estrutural, sendo, por conseguinte, importante a sua compreensão e previsão. Assim, esta dissertação é focada no fenómeno de estudo de delaminação em provetes DCB (Double Cantilever Beam), solicitados em Modo I de carregamento. Os objetivos deste trabalho são, desenvolver um modelo numérico de previsão de delaminação em modo I (provetes DCB), identificar os parâmetros numéricos, optimizar o modelo numérico e fazer a sua validação com resultados experimentais e também identificar os parâmetros físicos e estudar o efeito da sua variação. O modelo numérico foi otimizado através de um estudo de refinamento de malha, concluindo-se que é importante ter 30 elementos na zona de dano à frente de fenda. As previsões obtidas com o modelo optimizado foram comparadas com resultados experimentais, observando-se uma boa concordância, o que validou o modelo numérico. Foram identificados os parâmetros físicos e foi feita uma análise de sensibilidade tendo-se observado que a espessura do provete é o parâmetro mais relevante, seguida do comprimento inicial de fenda. Foi depois feito um estudo do efeito de diferentes parâmetros físicos. A espessura aumenta a carga máxima, mas diminui a energia total dissipada. O aumento de espessura aumenta significativamente a dimensão da zona de dano (Scz) e a velocidade de propagação de fenda, .Foram identificados dois regimes durante o carregamento do provete DCB. Numa primeira fase há uma acumulação de dano à frente da fenda inicial. Numa segunda etapa a fenda inicia a sua propagação, que ocorre com velocidade decrescente.

Currently, composite materials have become an advantageous option compared to conventional materials due, in large part, to the high specific strength and stiffness, so there is a significant increase in their use. The fracture mechanisms of a laminated composite material are however numerous and complex. Delamination is the most relevant for the structural instability and therefore important to understand and predict.. Thus, this dissertation is focused on the phenomenon of delamination in DCB specimens (Double Cantilever Beam), requested in Mode I loading. The objectives of this study are develop a numerical model for prediction of delamination in mode I (DCB specimens), identify the numerical parameters, optimize the numerical model and make its validation with experimental results, and also identify the physical parameters and study the effect of its variation. The numerical model was optimized through a mesh refinement study, concluding that it is important to have 30 elements in the damage zone ahead of crack. The predictions obtained with the optimized model were compared with experimental results, we observed a good agreement, which validated the numerical model. Physical parameters were identified and a sensitivity analysis was done and it was observed that the thickness of the sample is the most relevant parameter, then the initial crack length. It was then made a study on the effect of different physical parameters.The thickness increases the maximum load, but decreases the total energy dissipated. The increased thickness significantly increases the size of the damage zone (SCZ) and the speed of propagation of crack, the / (dδ). Two regimes were identified during the loading of DCB specimen. In a first stage there is damage accumulation ahead of the initial crack. In a second step the crack starts its propagation, which occurs with decreasing speed.