Effect of in-plane fiber waviness in unidirectional CFRP composites

Autor: Mariana Pimenta Alves
Přispěvatelé: Carlos Alberto Cimini Junior, Tulio Hallak Panzera, Estevam Barbosa de Las Casas
Rok vydání: 2017
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
instacron:UFMG
Popis: Este trabalho consiste em uma investigação sobre os efeitos das ondulações das fibras nas principais propriedades estruturais de compósitos reforçados com fibras de carbono. As ondulações das fibras são um tipo de defeito de fabricação comumente encontrado em componentes de material composto. Modelagem em elementos finitos utilizando a plataforma comercial Abaqus® foi empregada pra simular lâminas unidirecionais contendo ondulações graduais no plano da peça com forma de ondas senoidais. O máximo ângulo de desalinhamento foi tomado como único parâmetro de influência a ser analisado nas simulações. Foi realizada a geração automática dos modelos por meio do uso de scripts em linguagem paramétrica em Python. Os compósitos foram então sujeitos a condições de carregamento e de contorno no plano, com as análises sendo divididas em cargas uniaxiais normais longitudinais/transversais e biaxiais normais. O objetivo era estabelecer uma metodologia computacional eficiente para dar suporte a decisões de controle de qualidade. Os resultados provaram que a curvatura da fibra afeta a distribuição local dos esforços, o que resulta em concentração/relaxamento das tensões originais e induz a ocorrência de tensões locais de natureza diferente das encontradas em placas sem defeito. A influência demonstrada nas propriedades efetivas de rigidez mostrou-se menos significativa que a obtida nos valores de resistência. O início da falha foi determinado por meio da aplicação do critério de falha de Hashin, que faz a distinção entre falhas ocorridas na matriz e na fibra do compósito. Foi observada uma redução de resistência à medida que se aumenta o ângulo de desalinhamento das fibras, favorecendo um modo de falha dominado pelo comportamento da matriz. Carregamentos longitudinais apresentaram maior redução na resistência comparativamente a cargas transversais. Em relação aos carreamentos biaxiais, o caso de carga tração longitudinal + compressão transversal foi o mais severamente afetado em termos de falha; o caso compressão longitudinal + tração transversal mostrou-se como o menos afetado. This work investigates the effects of fiber waviness in key structural properties of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) composites. Fiber waviness is a type of manufacturing defect commonly found in composite material parts. Finite element modeling using the commercial platform Abaqus® was performed to simulate unidirectional laminae containing in-plane graded undulations in the shape of sinusoidal waves. The peak misalignment angle was taken as sole influence parameter. Automated model generation was performed through the use of parametric Python scripting. Composites were subjected to in-plane loading and boundary conditions, with analyses being divided into uniaxial normal longitudinal/transverse and biaxial normal loads. The goal was to provide a computationally efficient analysis framework to support decisions in quality control. Results proved that fiber curvature affects local stresses distribution, leading to stress concentration/relaxation and inducing the occurrence of local stresses other than the original ones found in laminae with no defect. The influence on effective elastic modulus was less significant than on strength values. Initial failure was predicted by Hashin failure criterion, which distinguishes between fiber and matrix failure. A strength knockdown effect was observed as misalignment angle increased, favouring a matrix dominated failure mode. Longitudinal load cases presented a higher strength reduction than observed on transverse loading. Regarding biaxial loads, the case of longitudinal tension + transverse compression was the most severely affected in terms of failure; the case of longitudinal compression + transverse tension was the least susceptible one.
Databáze: OpenAIRE
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