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Theses Year : 2020

Non-Local Modeling of the Compressive Strength of Composite Structures

Modélisation non-locale de la résistance en compression des composites architecturés

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Abstract

The compressive failure of long carbon fiber composites is due to complex mechanisms. The knowledge of these mechanisms is important for the design of composite structures because the compressive strength and stiffness of laminates are assumed less than their tensile strength. Further, compressive failure is a mechanism of non-local ruin that depends on the composite structure (layer thickness, load gradient) which makes it a peculiarity. The mechanism has been described and modelled in the literature with suitable numerical tools and experiments that accounted for this effect. There are many articles in the literature regarding the modelling of composites compressive behavior, particularly the microbuckling phenomenon / local instability. But only a few researchers modelled the mechanism at the structural/mesoscopic scale. For example, Drapier et al., [D3] proposed a 2D homogenized model, which takes into account fiber initial alignment defects, matrix plasticity and structural parameters. The model is successful in predicting the elastic microbuckling modes and to predict the failure. But the model is built for 2D unidirectional laminates and assumes microbuckling is periodic in the fiber direction, just one gradient in the thickness direction is taken into account and the influence of the misalignment is not completely described [D4]. Therefore, to extend the developments of these works ([D1],[D3],[G1],[G4]), new non-local finite element models are developed: one with using ABAQUS® in-built structural elements, named Beam Non-Local (BNL) model and the other with User Element (UEL) subroutine of ABAQUS®, named Homogenized Non-Local Model (HOMNL), implemented in the user element (NL U32), which can be applied with the aim to predict the compressive strength of unidirectional plies/laminates and also for woven composites (2D and 3D). Both the non-linear geometrical and material effects are taken into account in this model. With the BNL model, it is possible to capture the mechanism in 2D and 3D space for laminates of unidirectional composites. Results of the bibliography have been confirmed and new results are presented, for example, the elastic mode in 3D or the mechanism under bending. The width and angle of the kink band are determined by this model. In the framework of more general, the validation of the NL U32 element has been performed with respect to ABAQUS® classical elements for both linear and non-linear (geometry and material) cases. The classical (elastic and plastic) and non-local material properties (elastic) are identified by comparison to the responses of a Representative Volume Element (RVE) of full heterogenous microstructures. Some results have been validated with the bibliography. The developed non-local user element (NL U32) is 2D in this thesis and it can be extended easily to a 3D case, which remains one of the future perspectives.In this work, ABAQUS® v2017, DAKOTA v6.10.0, PARAVIEW v5.8.0 are the softwares used and FORTRAN, Python are the programming languages used.
La rupture en compression des composites à fibers de carbone longues est due à des mécanismes complexes. La connaissance de ces mécanismes est importante pour la conception des structures composites car la résistance à la compression et la rigidité des stratifiés sont supposées inférieures à leur résistance à la traction. De plus, la rupture en compression est un mécanisme de ruine non locale qui dépend de la structure du composite (épaisseur de la couche, gradient de charge), ce qui en fait une particularité. Ce mécanisme a été décrit et modélisé dans la littérature avec des outils numériques appropriés et des expériences qui ont pris en compte cet effet. Il existe de nombreux articles dans la littérature intégrant le phénomène de microflambage pour capter l’instabilité locale. Mais uniquement quelques chercheurs ont modélisé le mécanisme à l'échelle structurelle dite mesoscopique. Par exemple, Drapier et collaborateurs ont proposé un modèle homogénéisé en 2D, qui prend en compte les défauts d'alignement initial des fibers, la plasticité de la matrice et les paramètres structurels. Le modèle permet de prédire les modes de microflambage élastique et de prévoir la défaillance en compression. Mais le modèle est construit pour des stratifiés unidirectionnels 2D et suppose que le microflambage est périodique dans la direction des fibers, un seul gradient dans la direction de l'épaisseur est pris en compte et l'influence du désalignement n'est pas complètement appréhendée.Par conséquent, pour étendre les développements de ces travaux, de nouveaux modèles d'éléments finis non locaux sont développés dans cette thèse : l'un avec des éléments de structures proposés de base par ABAQUS®, appelé modèle BNL (Beam Non-Local) et l'autre avec le sous-programme UEL (User Element) d'ABAQUS®, appelé modèle HOMNL (Homogenized Non-Local Model), mis en oeuvre sous la forme d’un élément utilisateur (NL U32), qui peut être utilisé dans le but de prédire la résistance à la compression des plis stratifiés unidirectionnels mais également pour les composites tissés (2D voire 3D). Les effets de non linéarités géométriques et matériels sont bien évidemment pris en compte dans cette modélisation. Avec le modèle BNL, il est possible d’appréhender le mécanisme en 2D et 3D dans des stratifiés de composites unidirectionnels. Les résultats de la bibliographie ont été confirmés et de nouveaux résultats ont été générés, comme par exemple, le mode élastique en 3D ou le mécanisme de microflambage en flexion dans un stratifié. La largeur et l'angle de la bande de pliage sont déterminés automatiquement par ce modèle. Dans un cadre plus général, la validation de l'élément NL U32 a été effectuée par rapport aux éléments classiques ABAQUS® pour les cas linéaires et non linéaires (géométrie et matériau). Les propriétés classiques (élastiques et plastiques) et non locales des matériaux (élastiques) sont identifiées par comparaison avec les réponses d'un élément de volume représentatif (RVE) de microstructures totalement hétérogènes. Certains résultats de résistances ont été validés avec la bibliographie. L'élément utilisateur non local développé (NL U32) est en 2D dans cette thèse mais il peut être étendu très facilement à un cas en 3D, ce qui reste une des perspectives futures.Dans ce travail, ABAQUS® v2017, DAKOTA v6.10.0, PARAVIEW v5.8.0 sont les logiciels utilisés et FORTRAN, Python sont les langages de programmation
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03166430 , version 1 (11-03-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03166430 , version 1

Cite

Anil Bettadahalli Channakeshava. Non-Local Modeling of the Compressive Strength of Composite Structures. Other. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2020. English. ⟨NNT : 2020ESMA0018⟩. ⟨tel-03166430⟩
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