Numerical analysis and optimization of disbond arrest features in co-consolidated thermoplastic laminates
During normal operation, structures rarely experience static loads. Structures spend the majority of their lifespan submitted to dynamic loads which lead to fatigue. According to ASTM “Fatigue is the progressive, localized, permanent structural change that occurs in materials, subjected to fluctuati...
Main Author: | |
---|---|
Other Authors: | |
Language: | English |
Published: |
2023
|
Subjects: | |
Online Access: | https://hdl.handle.net/10889/24495 |
id |
nemertes-10889-24495 |
---|---|
record_format |
dspace |
institution |
UPatras |
collection |
Nemertes |
language |
English |
topic |
Disbond arrest feature Composite materials Co-consolidationed joints Finite element modeling Cohesive zone model Refill friction stir spot welding Μηχανισμός διακοπής αποσύνδεσης Σύνθετα υλικά Σύνδεση συμπολυμερισμού Μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων Μέθοδος ζώνης συνοχής Σημειακή συγκόλληση δια τριβής και επαναπλήρωσης |
spellingShingle |
Disbond arrest feature Composite materials Co-consolidationed joints Finite element modeling Cohesive zone model Refill friction stir spot welding Μηχανισμός διακοπής αποσύνδεσης Σύνθετα υλικά Σύνδεση συμπολυμερισμού Μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων Μέθοδος ζώνης συνοχής Σημειακή συγκόλληση δια τριβής και επαναπλήρωσης Γύφτος, Παναγιώτης Numerical analysis and optimization of disbond arrest features in co-consolidated thermoplastic laminates |
description |
During normal operation, structures rarely experience static loads. Structures spend the majority of their lifespan submitted to dynamic loads which lead to fatigue. According to ASTM “Fatigue is the progressive, localized, permanent structural change that occurs in materials, subjected to fluctuating stresses and strains that may result in cracks or fracture after a sufficient number of fluctuations”. The structural change mentioned refers to microscopic cracks which gradually propagate and combine to form larger cracks that lead to fatal failure of the material. These cracks can develop even under loads lower than the yield stress of the material. In composite materials, these cracks usually appear in the bondline of co-consolidated or adhesively bonded materials or interlaminarly between adjacent plies. In order to improve the behavior of composite materials under such conditions and lengthen their joints’ lifespan, a variety of Disbond Arrest Features (DAF) are employed in critical areas.
In the current diploma thesis, the optimization of the design of disbond arrest features of two adherends was investigated using finite element analysis. The adherends were made of TORAY Cetex TC1225 which is a thermoplastic material fabricated with PAEK resin reinforced with carbon fibers in pre-impregnated fabric form. The disbond arrest feature which was tested derived from the Refill Friction Stir Spot Welding (RFSSW) process. Firstly, a comparison of the RFSSW method and other commonly used joining methods such as the use of adhesives or bolts on SLS specimens was presented followed by an optimization of three parameters concerning the placement and size of the RFSSW. Crack initiation and propagation were simulated using the Cohesive Zone Model (CZM) method in numerical models for two different types of specimens. The first was End Notched Flexure (ENF) specimens and the second was Cracked Lap Shear (CLS) specimens, for which two different diameters of sleeves (6 mm and 9 mm), three different plunge depths (70%, 75% and 80% of the co-consolidated plates’ depth), as well as three distances from the beginning of the bonded area (10 mm, 20 mm and 30 mm) for the CLS specimens, were examined. From these analyses, Force-Displacement, Failed Surface Area–Displacement diagrams as well as shear stress and effective plastic deformation contour plots were exported.
It became apparent from the collected results that these features contributed to the reduction of the disbonding rate while increasing the static load-bearing capacity of the adherent system. |
author2 |
Gyftos, Panagiotis |
author_facet |
Gyftos, Panagiotis Γύφτος, Παναγιώτης |
author |
Γύφτος, Παναγιώτης |
author_sort |
Γύφτος, Παναγιώτης |
title |
Numerical analysis and optimization of disbond arrest features in co-consolidated thermoplastic laminates |
title_short |
Numerical analysis and optimization of disbond arrest features in co-consolidated thermoplastic laminates |
title_full |
Numerical analysis and optimization of disbond arrest features in co-consolidated thermoplastic laminates |
title_fullStr |
Numerical analysis and optimization of disbond arrest features in co-consolidated thermoplastic laminates |
title_full_unstemmed |
Numerical analysis and optimization of disbond arrest features in co-consolidated thermoplastic laminates |
title_sort |
numerical analysis and optimization of disbond arrest features in co-consolidated thermoplastic laminates |
publishDate |
2023 |
url |
https://hdl.handle.net/10889/24495 |
work_keys_str_mv |
AT gyphtospanagiōtēs numericalanalysisandoptimizationofdisbondarrestfeaturesincoconsolidatedthermoplasticlaminates AT gyphtospanagiōtēs arithmētikēanalysēkaibeltistopoiēsēstoicheiōndiakopēstēsaposyndesēssesympolymerismenathermoplastikasynthetaylika |
_version_ |
1771297309175316480 |
spelling |
nemertes-10889-244952023-02-22T04:38:05Z Numerical analysis and optimization of disbond arrest features in co-consolidated thermoplastic laminates Αριθμητική ανάλυση και βελτιστοποίηση στοιχείων διακοπής της αποσύνδεσης σε συμπολυμερισμένα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά Γύφτος, Παναγιώτης Gyftos, Panagiotis Disbond arrest feature Composite materials Co-consolidationed joints Finite element modeling Cohesive zone model Refill friction stir spot welding Μηχανισμός διακοπής αποσύνδεσης Σύνθετα υλικά Σύνδεση συμπολυμερισμού Μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων Μέθοδος ζώνης συνοχής Σημειακή συγκόλληση δια τριβής και επαναπλήρωσης During normal operation, structures rarely experience static loads. Structures spend the majority of their lifespan submitted to dynamic loads which lead to fatigue. According to ASTM “Fatigue is the progressive, localized, permanent structural change that occurs in materials, subjected to fluctuating stresses and strains that may result in cracks or fracture after a sufficient number of fluctuations”. The structural change mentioned refers to microscopic cracks which gradually propagate and combine to form larger cracks that lead to fatal failure of the material. These cracks can develop even under loads lower than the yield stress of the material. In composite materials, these cracks usually appear in the bondline of co-consolidated or adhesively bonded materials or interlaminarly between adjacent plies. In order to improve the behavior of composite materials under such conditions and lengthen their joints’ lifespan, a variety of Disbond Arrest Features (DAF) are employed in critical areas. In the current diploma thesis, the optimization of the design of disbond arrest features of two adherends was investigated using finite element analysis. The adherends were made of TORAY Cetex TC1225 which is a thermoplastic material fabricated with PAEK resin reinforced with carbon fibers in pre-impregnated fabric form. The disbond arrest feature which was tested derived from the Refill Friction Stir Spot Welding (RFSSW) process. Firstly, a comparison of the RFSSW method and other commonly used joining methods such as the use of adhesives or bolts on SLS specimens was presented followed by an optimization of three parameters concerning the placement and size of the RFSSW. Crack initiation and propagation were simulated using the Cohesive Zone Model (CZM) method in numerical models for two different types of specimens. The first was End Notched Flexure (ENF) specimens and the second was Cracked Lap Shear (CLS) specimens, for which two different diameters of sleeves (6 mm and 9 mm), three different plunge depths (70%, 75% and 80% of the co-consolidated plates’ depth), as well as three distances from the beginning of the bonded area (10 mm, 20 mm and 30 mm) for the CLS specimens, were examined. From these analyses, Force-Displacement, Failed Surface Area–Displacement diagrams as well as shear stress and effective plastic deformation contour plots were exported. It became apparent from the collected results that these features contributed to the reduction of the disbonding rate while increasing the static load-bearing capacity of the adherent system. Κατά την διάρκεια κανονικής λειτουργίας, οι αεροναυπηγικές δομές σπανίως υπόκεινται σε στατική φόρτιση. Οι κατασκευές υποβάλλονται σε δυναμικές καταπονήσεις για το μεγαλύτερο μέρος της ζωής τους, οι οποίες οδηγούν σε αστοχία λόγω κόπωσης. Σύμφωνα με τον οργανισμό ASTM “Κόπωση είναι η διαδικασία προοδευτικών τοπικών μόνιμων δομικών μεταβολών που συμβαίνουν στα υλικά που υποβάλλονται σε συνθήκες μεταβαλλόμενων τάσεων και παραμορφώσεων σε ένα ή περισσότερα σημεία και που μπορούν να οδηγήσουν σε ρωγμές ή πλήρη θραύση, μετά από ένα επαρκή αριθμό μεταβολών του φορτίου». Οι μόνιμες δομικές μεταβολές αναφέρονται σε μικροσκοπικές ρωγμές οι οποίες σταδιακά διαδίδονται στο υλικό και συνενώνονται για να δημιουργήσουν μεγαλύτερες οι οποίες οδηγούν στην τελική αστοχία του υλικού. Στα σύνθετα υλικά οι ρωγμές εμφανίζονται σε επιφάνειες ένωσης συμπολυμερισμένων ή συγκολλημένων υλικών ή διαστρωματικά ανάμεσα σε γειτονικές στρώσεις. Πληθώρα μηχανισμών διακοπής αποσύνδεσης εφαρμόζονται σε κρίσιμες περιοχές με στόχο την βελτίωση της συμπεριφοράς των συνθέτων υλικών υπό αυτές τις συνθήκες και για την αύξηση της διάρκειας ζωής αυτών των συνδέσμων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού μηχανισμού διακοπής αποσύνδεσης σε πλάκες μελετήθηκε κάνοντας χρήση μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων. Οι πλάκες ήταν κατασκευασμένες από TORAY Cetex TC1225, ένα θερμοπλαστικό υλικό το οποίο αποτελείται από πολυεθεραθερκετόνη (PAEK) ενισχυμένη με ίνες άνθρακα σε μορφή προ εμποτισμένου πανιού. Ο μηχανισμός διακοπής αποσύνδεσης ο οποίος εξετάστηκε προέρχεται από την κατεργασία σημειακής συγκόλλησης δια τριβής και επαναπλήρωσης (RFSSW). Αρχικά, μια σύγκριση της προαναφερόμενης μεθόδου και άλλων μεθόδων συνένωσης όπως η χρήση κόλλας ή κοχλιών σε δοκίμια διάτμησης σε σύνδεση ενός στρώματος (SLS) παρατέθηκε, η οποία ακολουθήθηκε από την βελτιστοποίηση τριών παραμέτρων που αφορούν την τοποθέτηση και το μέγεθος του μηχανισμού διακοπής αποσύνδεσης. Η έναρξη και η διάδοση της ρωγμής προσομοιώθηκαν μέσω της μεθόδου ζώνης συνοχής (CZM) σε αριθμητικά μοντέλα για δύο διαφορετικά είδη δοκιμίων. Το ένα είδος ήταν το δοκίμιο κάμψης τριών σημείων με αρχική ρωγμή (ENF), και το άλλο το δοκίμιο διάτμησης πλακών άνισου μήκους (CLS), για τα οποία δύο διαφορετικές διάμετροι χιτωνίου συγκόλλησης (6 mm και 9 mm), τρία διαφορετικά βάθη μηχανισμού διακοπής αποσύνδεσης (70%, 75%, 80% του πάχους των συμπολυμερισμένων πλακών) και για τα δοκίμια διάτμησης άνισου μήκους πλακών τρεις διαφορετικές αποστάσεις από την αρχικό μέτωπο της ρωγμής (10 mm, 20 mm, 30 mm) εξετάστηκαν. Από αυτές τις αναλύσεις εξάχθηκαν διαγράμματα Φορτίου-Μετατόπισης, Αποκολλημένης επιφάνειας-Μετατόπισης όπως και χρωματιστικά διαγράμματα διατμητικών τάσεων και ενεργών πλαστικών παραμορφώσεων. Έγινε προφανές από τα αποτελέσματα τα οποία συλλέχθηκαν ότι αυτοί οι μηχανισμοί συνείσφεραν στην μείωση του ρυθμού αποσύνδεσης ενώ αύξησαν το φορτίο το οποίο μπορεί να φέρει το σύστημα. 2023-02-21T06:58:02Z 2023-02-21T06:58:02Z 2023-03-07 https://hdl.handle.net/10889/24495 en Attribution 3.0 United States http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/us/ application/pdf |