A stochastic failure investigation of composites under combined compression-shear loads
Creators: name: Safdar, Nabeel
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2022
Subjects: subject: Fiber-reinforced polymers (FRPs)
subject: Microbuckling (MB)
subject: Compression and Shear
subject: Probabilistic failure envelopes
subject: Statistical properties/CT analysis
subject: Faserverstärkte Verbundwerkstoffe
subject: Druck und Schub
subject: Probabilistische Versagenskriterien
subject: Statistische Eigenschaften/CT-Analyse
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik::620 | Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

description: Because of their excellent specific strength and stiffness properties, fiber-reinforced polymers (FRPs) have become increasingly material of choice for advanced industries such as aerospace and wind turbines. One of the design limiting factors in FRPs is their lower compression strength in comparison to their tensile strength. Microbuckling (MB) is the dominant failure mode in unidirectional FRPs under predominant compression loads. The main factors dictating failure under compression dominated loads are the fiber misalignment and the nonlinear material behavior. Because of high sensitivity of MB failure to the fiber misalignment, the MB strength shows uncertainty. To enable reliable failure prediction, a quantification of the strength uncertainty is required. The current investigation aims for a probabilistic prediction of MB failure under axial compression and combined compression-shear loads. Using a newly in-house developed combined loading fixture, a statistically significant number of specimens was tested under aforementioned load cases. Using the experimental strain measurements, a probabilistic failure envelope in strain space is presented. Results of the axial compression load case are interpreted in the context of the notion of the effective misalignment angle using an analytical model. A failure envelope in stress space is derived using an analytical solution for the combined compression-shear load cases and the effective global misalignment angle calculated from the measurements. Other experimental aspects of the problem are also investigated such as the material characterization and measurements of the fiber misalignment. To represent the fiber misalignment in numerical models for the prediction of MB strength while preserving the spatial correlation information, the spectral representation method is employed in this investigation. A large number of realizations were developed based on spectral densities calculated from the measurements of the fiber misalignment. The numerically determined probabilistic failure envelopes in stress and strain spaces are presented with lower percentiles of distributions of failure. The failure enveloped are also compared against classical failure criteria from the literature to highlight the limitations of the classical criteria. Since the sizes of the model and the experimental specimen were different, a comparison of numerically predicted strengths against experimentally obtained results under the axial compression loads was performed on the basis of a scaling law. A discussion on differences in the shape of the failure envelopes is provided. Conclusions are drawn at the end and an outlook for further research on the topic is given.
description: Faserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK/GFK) sind aufgrund ihrer ausgezeichneten spezifischen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften zunehmend zum bevorzugten Material für hochentwickelte Industrien wie die Luft- und Raumfahrt und Windkraftanlagen geworden. Einer der konstruktionsbegrenzenden Faktoren bei CFK/GFK ist ihre geringere Druckfestigkeit im Vergleich zu ihrer Zugfestigkeit. Microbuckling (MB) ist die vorherrschende Versagensart bei unidirektionalen CFK/GFK unter vorherrschenden Druckbelastungen. Die Hauptfaktoren, die das Versagen bei Druckbelastungen diktieren, sind die Faserimperfektionen und das nichtlineare Materialverhalten. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des MB-Versagens gegenüber der Faserimperfektionen ist die MB-Festigkeit mit Unsicherheit behaftet. Um eine zuverlässige Versagensvorhersage zu ermöglichen, ist eine Quantifizierung der Festigkeitsunsicherheit erforderlich. Die aktuelle Studie zielt auf eine probabilistische Vorhersage des Versagens von MB unter axialer Druck- und kombinierter Druck-Schub-Belastung ab. Unter Verwendung einer neu entwickelten kombinierten Prüfvorrichtung wurde eine statistisch signifikante Anzahl von Proben unter den vorgenannten Lastfällen geprüft. Anhand der experimentellen Dehnungsmessungen wird eine probabilistische Versagenskurve im Dehnungsraum dargestellt. Die Ergebnisse des axialen Druckbelastungsfalls werden im Zusammenhang mit dem Begriff des effektiven Versatzwinkels anhand eines analytischen Modells interpretiert. Unter Verwendung einer analytischen Lösung für den kombinierten Druck-Schub-Lastfall und des aus den Messungen berechneten effektiven globalen Versatzwinkels wird eine Versagenshüllkurve im Spannungsraum abgeleitet. Andere experimentelle Aspekte des Problems werden ebenfalls untersucht, wie z. B. die Materialcharakterisierung und Messungen der Faserimperfektionen. Um die Faserimperfektionen mit Berücksichtigung auf räumliche Korrelationsinformation in numerischen Modellen zur Vorhersage der MB-Festigkeit darzustellen, wird in dieser Untersuchung die Methode der spektralen Darstellung verwendet. Auf der Grundlage von Spektraldichten, die aus den Messungen der Faserverschiebung berechnet wurden, wurde eine große Anzahl von Realisierungen erstellt. Die numerisch ermittelten probabilistischen Versagenskurven in Spannungs- und Dehnungsräumen werden mit unteren Perzentilen der Versagensverteilungen dargestellt. Die probabilistische Versagenskurven werden auch mit klassischen Versagenskriterien aus der Literatur verglichen, um die Grenzen der klassischen Kriterien aufzuzeigen. Da die Größen des Modells und der experimentellen Probe unterschiedlich waren, wurde ein Vergleich der numerisch vorhergesagten Festigkeiten mit den experimentell ermittelten Ergebnissen unter den axialen Druckbelastungen auf der Grundlage eines Skalierungsgesetzes durchgeführt. Es wird eine Diskussion über die Unterschiede in der Form der Versagenskurven geführt. Anschließend werden Schlussfolgerungen gezogen und ein Ausblick auf weitere Forschungsaktivitäten zu diesem Thema gegeben.