Simulation of Delamination in a Composite Using a Shell-beam Mesoscale Finite Element Model

The article presents a new method of delamination modelling in a fabric-reinforced laminate using a shell-beam mesoscale FE model. This original laminate model enables the analysis of the resistance of composite structures in which the reinforcement can be technical fabric of various weaves or a layer of parallel rovings, e.g. made of carbon fibres.It includes an experimental part in which flat specimens of laminate were delaminated according to three basic schemes: tensile opening, sliding shear and tearing shear. The aim of the experimental studies was to obtain load-displacement curves, which were used to define the conditions of initiation and propagation conditions of cracks in the calculation model as well as to perform theirexperimental verification. Specimens of the laminate tested were modelled using a mesoscale FE model, in which the components, i.e. the rovings, were modelled in a simplified manner with finite elements of the beam type and a matrix with finite elements of the shell type. The bondings between adjacent laminate layers were also modelled with beam elements. The simulation results were compared with those of experimental delamination tests, and the convergence obtained confirmed the correctness of the modelling method developed.

Artykuł przedstawia nową metodę modelowania delaminacji w laminacie wzmocnionym tkaniną z wykorzystaniem powierzchniowo-belkowego mezoskalowego modelu MES. Ten autorski model laminatu umożliwia analizę wytrzymałości konstrukcji kompozytowych, w których zbrojeniem może być tkanina techniczna o różnym splocie lub warstwa równoległych tasiemek np. z włókien węglowych. Artykuł obejmuje część doświadczalną, w której rozwarstwiano płaskie próbki laminatu według trzech podstawowych schematów: rozrywania, ścinania wzdłużnego i ścinania poprzecznego. Celem badań doświadczalnych było otrzymanie charakterystyk obciążeniowo-przemieszczeniowych, które posłużyły do zdefiniowania warunków inicjacji i propagacji pęknięć w modelu obliczeniowym oraz do przeprowadzenia jego weryfikacji doświadczalnej. Próbki badanego laminatu zostały zamodelowane za pomocą autorskiego mezoskalowego modelu MES, w którym komponenty tj. tasiemki tkaniny wzmocnienia odwzorowano w uproszczeniu elementami skończonymi typu belkowego a osnowę elementami skończonymi typu powierzchniowego. Wiązania między sąsiednimi warstwami laminatu zamodelowano również elementami belkowymi. Wyniki symulacji porównano z wynikami prób doświadczalnego rozwarstwiania, a uzyskana zgodność potwierdziła poprawność opracowanego sposobu modelowania.