Numerical simulation of damage and failure of laminated 3-point bending specimens

Abstract

Polímeros reforçados por fibras (PRF) tem sido utilizados durante muito tempo para aplicações estruturais, particularmente com laminados. No projeto de laminados é importante caracterizar o seu comportamento mecânico. O comportamento mecânico é caracterizado por uma rigidez inicial e pela fractura. A estratégia de modelação utilizada nesta dissertação permite não só prever o “first-ply-failure”, como também modelar a sequência de eventos a seguir, como a delaminação e a fractura final da estrutura. Para isso é utilizado um modelo para a interface e para as camadas, permitindo a interação entre eles. A rigidez inicial também é avaliada com diferentes ratios comprimento para espessura, permitindo também diferentes contribuições do cisalhamento transversal e de flexão. Nesta dissertação com o método dos elementos finitos (FEM) é investigado o comportamento estrutural de uma viga compósita sobe ensaios de flexão em três pontos. Para este fim o programa comercial Abaqus é utilizado, permitindo simulações numéricas com elementos continuum casca e elementos convencionais casca. Também são realizadas simulações numéricas de modo a preparar a resultados para uma futura experiência, para o qual o tamanho do provete é escolhido com recomendações do EN ISO 14125

Fiber-reinforced polymers (FRP) have been used for a long time for structural applications, particularly with laminates. It is important to characterize the mechanical behavior of laminates for their design. This behavior is characterized by an initial stiffness and by failure. The modeling strategy used in this thesis allows to predict not only first-ply-failure (FPF), but also to model the sequence of events afterwards, such as delamination and the final failure of the structure. This is achieved by using a damage model for the ply and for the interface, allowing the interaction between them. The initial stiffness is also evaluated with different length to thickness ratios, allowing different contributions from transverse shear and bending. In this thesis, with the finite element method (FEM) the structural behavior of a laminate composite beam under a three point bending configuration is investigated. For this purpose the commercial FEM package Abaqus is used, allowing numerical simulations with continuum shell and conventional shell elements. Also simulations are conducted, in order to prepare a future experiment for which the specimen size was chosen with recommendations from EN ISO 14125.