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Hierarchical multi-scale modelling of the nonlinear deformation of fibre reinforced composites by means of general anisotropic constitutive models

Bedzra, Rex^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Rex Bedzra, M.Sc.

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (10, V, 199 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Simon, Jaan-Willem (Thesis advisor)^RWTH* ; Mahnken, Rolf (Thesis advisor) ; Reese, Stefanie (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-09-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-07508
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/794236/files/794236.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl und Institut für Angewandte Mechanik (311510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
multi-scale modelling (frei) ; anisotrope Viskoelastizität (frei) ; anisotrope Viskoplastizität (frei) ; Papier und Pappe (frei) ; Metallmatrix-Verbundwerkstoff (frei) ; Flachsfaser-Epoxid-Verbundwerkstoff (frei) ; Mehrskalensimulation (frei) ; anisotropic viscoplasticity (frei) ; paper and paperboard (frei) ; metal matrix composite (frei) ; flax fibre/epoxy composite (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Verbundwerkstoffe (auch Kompositwerkstoffe oder einfach Komposite genannt) werden aus einer Kombinationvon zwei oder mehr Materialien hergestellt. Aufgrund ihres guten Steifigkeits-Gewichtsverhältnisses werden sie häufig im Leichtbau verwendet. Ihre Effektivität hängt jedoch entscheidend von der Fähigkeit ab, die Tragfähigkeit und Restfestigkeit der Strukturen vorherzusagen, für die sie verwendet werden. Um dies zu erreichen, ist ein genaues konstitutives Modell des Kompositwerkstoffes erforderlich. In der vorliegenden Dissertation werden einige Aspekte dieses Themas behandelt, indem mehrere konstitutive Modelle für verschiedene Verbundwerkstoffe entwickelt und implementiert werden. Es wird ein konstitutives Modell einer mit gewebten Wolframfasern verstärkten Kupfermatrixentwickelt, das auf einem „multi-surface“ Ansatz basiert. Plastische Anisotropie wird mittels Strukturtensoren und drei verschiedenen Fließfunktionen für drei unterschiedliche Lastszenarien in der Ebene des Verbundbleches realisiert. Ein Finite-Elemente-Modell einer sich wiederholenden „plain-weave“ Einheitszelle wird für die Parameteridentifikation und Validierung aufgesetzt. Die Anwendbarkeit des Modells wird durch die Ziehsimulation einer dünnen kreisförmigen Platte mit Loch und eine Zylindrische Dach unter Belastung demonstriert. Weiterhin wird ein drittes Materialmodell entwickelt, das auf dem konstitutiven Modell mit „multi-surface“ Ansatz basiert, um das in der Ebene vorhandene anisotrope elastoplastische Verhalten von Papier und Pappe zu modellieren. Das Modell wird mittels einer Reihe von einfachen einachsigen Zugversuchen in unterschiedliche Richtungen kalibriert und durch Belastungen in andere Richtungen validiert. Die Genauigkeit und das numerische Verhalten des Materialmodells wird mit einem nicht-quadratisches Gegenstück des konstitutiven Modells verglichen. Zudem wird ein Materialmodell für einen unidirektionalen Kompositwerkstoff entwickelt. Das Modell verwendet eine Hill-Fließfunktion als auch mehrere Verfestigungsfunktionen zur Beschreibung des anisotropen Verfestigungsverhaltens des Verbundwerkstoffes. Ein Finite-Elemente-Modell einer sich wiederholenden Einheitszelle des Komposites wird für die Parameteridentifikation und Validierung aufgesetzt. Zum Schluss wird ein nicht-assoziatives viskoelastisch-viskoplastisches Materialmodell für unidirektional faserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe entwickelt. Als Fallstudie wird ein flachsfaserverstärktes Epoxidharz betrachtet. Das Modell verwendet einen anisotropen linearen viskoelastischen Feststoff, der an eine anisotrope viskoplastische Formulierung gekoppelt ist, um die Verformung des Materials zu beschreiben. Die Fließfläche des Modells wird auf Basis von Strukturtensoren konstruiert. Die anisotrope Entwicklung der Fließfläche wird durch mehrere nichtlineare isotrope und kinematische Verfestigungsfunktionen beschrieben. Es wird ein Finite-Elemente-Modell einer sich wiederholenden Einheitszelle eines unidirektionalen Kompositwerkstoffes zur Kalibrierung und Validierung generiert. Das entwickelte konstitutive Modell wird den Fäden eines Komposits bestehend aus gewebten Flachsfasern in einer Epoxidmatrix zugeordnet und das Verformungsverhalten des Verbunds sowie die Identifizierung der Verbundfließfläche durch virtuelle Experimente untersucht.

Composite materials are made from a combination of two or more materials. Due to their high stiffness-to-weight ratio, they are highly desirable in lightweight construction. However, the effective use of these materials depends on the ability to predict the ultimate load and residual strength of the structures for which they are employed. To achieve this, an accurate representation of the constitutive response of the composite material is required. The present dissertation seeks to address some aspects of this issue by developing and implementing several constitutive models for various composite materials. To this end, a multi-surface constitutive model is developed for woven tungsten fibre reinforced copper matrix composite. Plastic anisotropy is modelled based on the concept of structural tensors by employing three different yield functions for three different load scenarios in the plane of the composite sheet. A finite element model of a plain weave repeating unit cell is set-up for parameter identification and validation. The applicability of the constitutive model is demonstrated by performing a simulation of drawing a thin circular plate with a hole and a cylindrical roof subjected to a line load. A second material model, based on the multi-surface constitutive model, is developed to model the in-plane anisotropic elastoplastic behaviour of paper and paperboard. The model is calibrated from a set of simple uniaxial tension tests carried out in various directions of the material and is validated against loading in other directions. The accuracy as well as the numerical performance of the constitutive model is accessed against a non-quadratic counterpart of the model. Furthermore, a constitutive model for the unidirectional tungsten fibre reinforced copper matrix composite is also developed. The constitutive model employs a Hill type yield function as well as multiple hardening functions to describe the anisotropic hardening behaviour of the composite. A finite element model of the composite is set-up for parameter identification and validation. Finally, a non-associative viscoelastic-viscoplastic constitutive model for unidirectional fibre reinforced polymer composites is developed. As a case study, flax fibre reinforced epoxy matrix is considered. The model adopts an anisotropic linear viscoelastic solid expressed in terms of Boltzmann hereditary form coupled with an anisotropic viscoplastic formulation to describe the deformation behaviour of the material. The yield surface of the model is constructed based on the concept of structural tensors. The anisotropic evolution of the yield surface is described by means of multiple non-linear isotropic and kinematic hardening functions. A finite element model of the unidirectional composite is also setup for calibration and validation. The developed constitutive model is assigned to the tows of a plain weave flax fibre/epoxy composite and the deformation behaviour of the composite is studied as well as the identification of the composite yield surface through virtual experiments.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT020530942

Interne Identnummern
RWTH-2020-07508
Datensatz-ID: 794236

Beteiligte Länder
Germany