Advanced composite material simulation

 

S. Oller*, X. Martínez*, A. Barbat*, F. Rastellini**

*Departamento de Resistencia de Materiales y Estructuras en la Ingeniería (RMEE), Universidad Politécnica de Cataluña

**International Center for Numerical Methods in Engineering (CIMNE) Building C1, Campus Nord UPC

Jordi Girona, 1-3. 08034-Barcelona, Spain.

e-mail: sergio.oller@upc.edu

 

ABSTRACT: A computational methodology is presented for modeling the non-linear mechanical behavior of composite structures made of FRP (Fiber-Reinforced Polymers) laminates.

The model is based on the appropriate combination of the constitutive models of compounding materials, considered to behave as isolated continua, together with additional “closure equations” that characterize the micro-mechanics of the composite from a morphological point of view. To this end, any appropriate constitutive model may be selected for each phase. Each component is modeled separately and the global response is obtained by assembling all contributions taking into account the interactions between components in a general phenomenological way.

To model the behavior of a single uni-directional (UD) composite laminated, a Serial-Parallel continuum approach has been developed assuming that components behave as parallel materials in the fibers alignment direction and as serial materials in orthogonal directions. Taking into account the internal morphology of the composite material, it is devised a strategy for decoupling and coupling component phases. This methodology [Rastellini 2006], named "compounding of behavior", allows to take into consideration local non linear phenomenon in the compounding materials, like damage, plasticity, etc. in a coupled manner. It is based on the proper management of homogenous constitutive models, already available for each component. In this way, it is used all developments achieved in constitutive modeling for plain materials, what makes possible the transference of this technology to composites. A laminated theory complemented with the proposed UD model is employed to describe the mechanical behavior of multi-directional laminates. A specific solution strategy for the general non linear case is proposed. It provides quick local and global convergences, what makes the model suitable for large scale structures. The model brings answers on the non-linear behavior of composites, where classical micro-mechanics formulas are restricted to their linear elastic part. The methodology is validated through several numerical analyses and contrasted against experimental data and benchmark tests.

Keywords: Composite Materials, Numerical Simulation, Continuum Mechanics, Constitutive Modeling.

 

RESUMO: Apresenta-se uma metodologia computacional para moldar o comportamento mecânico não linear de estruturas laminadas compósitas de FRP (Fiber-Reinforced Polymers).

O modelo está baseado em uma combinação apropriada de modelos constitutivos de materiais compostos, considerando o comportamento mecânico de cada componente, junto de equações adicionais de compatibilidade ou “equações de fechamento" que caracteriza a micro-mecânica do composto desde um ponto de vista morfológico. Com esta finalidade, pode-se atribuir a cada fase ou componente qualquer modelo constitutivo apropriado a seu próprio comportamento. Cada componente modela-se separadamente e a resposta global é obtida compondo adequadamente as contribuições de cada componente e suas interações com os restantes, tudo isso de um ponto de vista fenomenológico.

Para moldar uma simples lâmina composta unidirecional (UD), desenvolveu-se uma formulação contínua Série-Paralela, que supõe que os componentes se comportam em paralelo na direção em que se alinham as fibras e como materiais em série na direção ortogonal. Levando em conta a morfologia interior do material composto, introduziu-se uma estratégia para desajustar e depois acoplar as fases que compõem o material composto. Esta metodologia [Rastellini 2006], denominada "composição de comportamentos", permite levar em conta o fenómeno de não linearidade local nos materiais componentes, tais como o dano, plasticidade, etc. de uma maneira acoplada. Isto está baseado na gestão apropriada de modelos constitutivos homogêneos, já disponíveis para cada componente. Desta maneira, usam-se todos os desenvolvimentos conseguidos para os materiais básicos, o que faz possível a transferência desta tecnologia aos compostos. Uma teoria laminada complementada com o modelo de UD proposto emprega-se para descrever o comportamento mecânico de laminados multidireccionales. Propõe-se uma estratégia específica para a solução do comportamento geral não-linear. Isto proporciona uma rápida convergência local e global, que faz ao modelo seja apropriada para resolver estruturas à grande escala. O modelo dá respostas no comportamento não-linear de compostos, onde as formulações clássicas do micro-mecânica estão restringidas só ao campo linear. A metodologia é validada com várias análises numéricas e contrastada com dados experimentais e ensaios de referência (benchmark tests).

Palavras chave: Materiais Compostos, Analise Numérica, Mecânica del Continuo, Modelos Constitutivos.

 

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