Fatigue Damage of Composite Materials

Disertační práce se zabývá posupným poškozováním dlouhovláknových kompozitních materiálů se zaměřením na tvorbu příčných trhlinek v matrici a to jak z experimentálního hlediska, tak z hlediska výpočetní predikce iniciace příčných trhlinek v matrici, jejich hustoty a jejich vlivu na globální mechanické vlastnosti laminátu. První pokusné experimenty byly prováděny na C/E vzorcích v míjivém tahu a na stejných vzorcích v míjivém ohybu. Hlavní část práce se zabývá statickými a únavovými zkouškami vzorků ze skelného laminátu s epoxidovou matricí (E-glass/epoxy) v míjivém tahu, při kterých je monitorována nejen změna mechanické odezvy laminátu na zatížení, ale i módy a hustota poškození. Je ukázána analogie mezi postupným poškozováním laminátu při kvazi-statickém a cyklickém zatěžováním s konstantní amplitudou zatěžující síly. Je popsán způsob výpočetní predikce iniciace prvního poškození nejslabší vrstvy laminátu na úrovni vlákno-matrice a na úrovni vrstvy. Dále je popsána výpočetní predikce postupného poškozování při kvazi-statickém a cyklickém zatěžování, zejména predikce hustoty trhlinek v matrici a vliv těchto trhlinek na globální mechanické vlastnosti laminátu. Na základě provedené kritické rešerše současného stavu poznání bylo konstatováno, že nejslibnějším přístupem k modelování postupného poškozování u kompozitních materiálů je mikro-mechanický přístup, který umožňuje modelovat skutečný mód poškozování heterogenního materiálu a umožňuje zobecnění vstupních dat získaných experimentálně na jednoduchých vzorcích. To umožní redukci množství experimentů nutných k získání nezbytných vstupních experimentálních dat ve srovnání s empirickými přístupy. Mikro-mechanický přístup modelování byl dále doplněn o modelování skutečných módů poškozování na úrovni laminy.Katedra mechanikyObhájenoThe dissertation deals with progressive damage of long-fibre composite material focusing on the formation of transverse matrix cracks both from the experimental point of view and in terms of computational prediction of transverse matrix cracking, its density and the impact on the global mechanical properties of the laminate. First tentative experiments were performed on the C/E specimens in repeated tension and repeated bending. The main part of the dissertation deals with the static and fatigue tests of E-glass/epoxy samples in repeated tension. Both mechanical properties degradation and progressive damage modes and damage density were monitored during testing. Analogies between the progressive damage and fatigue damage of the laminate are shown. First ply failure prediction is described on the constituent level (micro-level) and on the ply level. Numerical prediction of progressive damage and fatigue damage is described emphasising the prediction of transverse matrix cracks initiation and its density. The effect of transverse matrix cracks on the laminate mechanical properties is analysed. Based on the state of the art analysis it has been concluded that the most promising approach to predict progressive and fatigue damage of the laminate is the micro-mechanical approach. This approach simulates real damage mode of a heterogeneous material. This enables generalization of the experimental input data obtained employing simple specimens. This facilitates the reduction of the scope of experimental testing needed to obtain necessary input data compared to empirical methods. Micro-mechanical approach was supplemented by meso-mechanical approach, i.e. modelling real damage mode on the ply level