A modelling approach for 3D braid reinforced composites under non-axial loading

Abstract

Fibre reinforced composite materials are widely used in aerospace, the automotive in- dustry or civil structures due to their high stiffness and strength to weight ratios, good fatigue strength and corrosion resistance. The mechanical performance of a com- posite structure particularly depends upon its type of fibre reinforcement, typically produced using textile technologies such as weaving and braiding. Compared to two- dimensional (ZD) laminated composites, three-dimensional (31)) preforms allow for a better out-of-plane stiffness, strength and impact resistance. 3D braids additionally provide structural integrity and the possibility for near-net-shapes. However 3D braids as reinforcement are still hard to find in commercial use, due to the lack of braiding machines and dimensional limitations of possible preforms. Furthermore, the micro- structure of 3D braid reinforced composites (3DBRC) is complicated and the prediction of their mechanical and damage behaviour challenging. ln order to support the use of 3D braids in structural composites, analytical and numerical approaches are presented in this thesis for the prediction of effective elastic properties and the analysis of the damage behaviour under lateral loading. The presen- ted work has been related to the use of composites in guard rails, which must absorb high energies while being flexible to decelerate a colliding vehicle consistently. At first, compressive loading of traditional pultruded box beam sections has been performed to analyse their failure behaviour. In addition, profile sections were numerically modelled to identify material parameters which enhance their fracture toughness. Single- and multicellular cross-sections were analytically analysed to study the effect of geomet- ric characteristics on their bending and buckling behaviour. Different 3DBRCs were produced and tested to reveal their failure behaviour as compared to a 2D laminate. Analytical models were established to predict elastic constants and used for parameter studies to understand the infiuence of processing parameters on elastic properties. A numerical modelling approach was developed based on a simplified description of the complex textile architecture. Preliminary Finite Element modelling studies were used to define the model and assess its capability for the prediction of mechanical properties. l\/loreover, elastic constants of the 3DBRCs are calculated and the damage behaviour simulated. Delamination as known from 2D laminates doesn’t occur in 3DBRCs owing to their yarn interlacement. l\/loreover, 3DBRCs present a higher fracture toughness and impact resistance compared to a 2D laminate. Although not all predicted properties agree quantitatively with experimental results, qualitatively similar trends are observed and results obtained by modelling agree well with each other.

Os materiais compósitos reforçados com fibras são amplamente utilizados na indústria aeroespacial, na indústria automóvel e em estruturas civis, devido à sua elevada rigidez e resistência em relação ao peso, boa resistência à fadiga e à corrosão. O desempenho mecânico de uma estrutura de compósito depende particularmente das fibras de reforço usadas, que são geralmente produzidas com tecnologias de tecidos, tais como tecelagem e entrançamento. Comparados com os compósitos 2D, os tecidos 3D apresentam uma maior rigidez e resistência ao impacto. Adicionalmente, tranças em 3D fornecem maior integridade estrutural e a possibilidade de near-net-shape. No entanto, ainda é difícil encontrar tranças 3D como reforço na indústria devido à falta de máquinas apropriadas e limitações dimensionais das possíveis pré-formas. Por outro lado, a microestrutura dos compósitos com tranças 3D é complexa e a previsão do seu comportamento mecânico e ao dano são um desafio. De modo a apoiar o uso de tranças 3D em estruturas de materiais compósitos, são apresentadas nesta tese abordagens analíticas e numéricas para a predição das propriedades elásticas efetivas e análise do comportamento ao efeito de carga lateral. O trabalho apresentado está relacionado com o uso de materiais compósitos nas barras de segurança das estradas, que devem ser capazes de absorver elevadas energias e ao mesmo tempo ser flexíveis para desacelerar o veículo que colide. Assim, foram realizados ensaios de compressão de seções box beam pultruded para analisar o seu comportamento de falha. Além disso, os perfis foram modelados numericamente para identificar os parâmetros do material que aumentam a sua resistência à fratura. Secções transversais simples e multicelulares foram também analisadas analiticamente para estudar o efeito das características geométricas no comportamento à flexão e encurvadura. Os diferentes 3DBRCs produzidos foram mecanicamente testados sob tração, flexão e impacto de modo a avaliar o seu comportamento de falha comparativamente aos laminados 2D. Estabeleceram-se modelos analíticos baseados num método de volume médio para prever as constantes elásticas e, adicionalmente, usados para estudar a influência dos parâmetros de processamento nas propriedades elásticas. Desenvolveu-se uma abordagem de modelação numérica com base numa descrição simplificada da arquitetura têxtil complexa e no Binary model. Estudos preliminares de modelação FE foram utilizados para definir o modelo e avaliar a sua capacidade de predição das propriedades mecânicas. Além disso, foram calculadas as constantes elásticas dos 3DBRCs e simulado o seu comportamento ao dano. Os 3DBRCs, devido aos seus fios entrelaçados, não exibem a delaminação caracter- ística dos laminados 2D. Por outro lado, os 3DBRCs apresentam uma maior resistência à fractura e ao impacto em comparação com um laminado 2D. Embora nem todas as propriedades preditas analítica e numericamente estejam em concordância quantitativa com os resultados experimentais, são observadas tendências qualitativas semelhantes e os resultados obtidos por modelação estão de acordo um com o outro.