Crystal plasticity inspired modelling of fibre reinforced composites

Abstract

There is an increasing demand in carbon fibre reinforced (CFR) composites primarily due to their high strength-to-weight ratio. Although their single-ply behaviour is rather brittle (as compared to metals), by reducing the ply thickness and stacking differently oriented plies, brittleness is suppressed, and a ductile behaviour similar to metals is achieved. In this thesis, a recently proposed material model inspired by crystal plasticity is reconsidered and implemented in an implicit finite element solution framework. To this end, a user-defined element is developed in a geometrically non-linear continuum setting and implemented in commercial finite element software Abaqus through UEL (Userdefined ELement) subroutine. The model is validated by analytical solutions derived for simple shear cases and two experiments for different loading cases from the literature. The model is capable of predicting stress-strain response well in cases where matrix plasticity is dominant. Moreover, a parametric study on the cross-ply shear specimen is conducted to investigate the influence of different material parameters. In the last part, the model is extended by a continuum scale damage in the matrix and degradation in elastic material properties. The predictive capabilities of the damage extended model are assessed by re-analyzing the cross-ply shear test.

Karbon Fiber Takviyeli (KFT) kompozitlere, özellikle yüksek mukavemet-ağırlık oranları nedeniyle artan bir talep vardır. Tek katmanlı davranışları (metallere kıyasla) oldukça gevrek olmasına rağmen, katman kalınlığı azaltılarak ve farklı fiber yönüne sahip katmanları birleştirerek bu gevreklik azaltılabilir ve bu sayede metallere benzer sünek bir davranış elde edilebilir. Bu tezde, kristal plastisiteden esinlenerek yakın zamanda önerilen bir malzeme modeli yeniden ele alınmakta ve kapalı adım bir sonlu eleman çözümü çerçevesinde uygulanmaktadır. Bu amaçla, geometrik olarak doğrusal olmayan bir sürekli ortamda kullanıcı tanımlı bir eleman geliştirilmiş ve kullanıcı eleman (UEL) altprogramı aracılığıyla sonlu eleman yazılımı Abaqus’e entegre edilmiştir. Model, basit kesme durumları için türetilen analitik çözümler ve literatürden seçilen farklı yükleme durumları için iki deney ile doğrulanmıştır. Modelin matris plastisitesinin baskın olduğu durumlarda gerilimgerinim tepkisini iyi tahmin etme yeteneğine sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca, farklı malzeme parametrelerinin etkisini araştırmak için çapraz katlı kesme numunesi üzerinde parametrik bir çalışma yapılmıştır. Son bölümde, model, matriste süreklilik ölçeğinde hasar ve elastik malzeme özelliklerinde bozulmayı yansıtacak şekilde genişletilmiştir. Genişletilmiş hasar modelinin tahmin yetenekleri, çapraz katlı kesme testinin yeniden analiz edilmesiyle değerlendirilmiştir.