Simulation of delamination in composite materials using the serial/parallel mixing theory

Este artículo presenta un nuevo procedimiento con el que simular el fallo por delaminación en materiales compuestos. El método propuesto utiliza la teoría de mezclas serie/paralelo, desarrollada por Fernando Rastellini, para la caracterización constitutiva del material compuesto. Esta formulación obtiene el comportamiento del compuesto acoplando la respuesta constitutiva de los materiales componentes, fibra y matriz, imponiendo una relación de iso-deformación en la dirección de la fibra (dirección en paralelo) y una relación de iso-tensión en el resto de direcciones (direcciones en serie). Si bien la teoría de mezclas serie/paralelo permite simular los materiales componentes con cualquier ecuación constitutiva, el presente trabajo utiliza una formulación de daño para caracterizar la matriz y una formulación elástica para la fibra. Se mostrará que es posible, utilizando la teoría de mezclas serie/paralelo y una formulación de daño, simular el fallo del compuesto por delaminación. Además, éste se obtiene de forma natural, sin necesidad de definir elementos especiales en los que propagar la fractura, ni ser necesario utilizar costosas técnicas numéricas como el remallado o elementos de contacto. Con el procedimiento propuesto el fallo constitutivo de la matriz conduce a una reducción de la capacidad portante del compuesto en las direcciones en serie (entre otras, la dirección de las tensiones tangenciales) sin eliminar la capacidad resistente en la dirección de la fibra. Se probará que un material compuesto con este comportamiento corresponde a un material delaminado. La última sección de este artículo muestra la simulación del End Notch Failure Test y los resultados obtenidos son comparados con resultados experimentales. La similitud de los resultados numéricos y experimentales demuestra la validez del método propuesto para resolver problemas de delaminación en materiales compuestos.This paper presents a new procedure to deal with the delamination problem found in laminated com- posites, based in a continuum mechanics formulation. The procedure proposed obtains the composite constitutive performance with the Serial/Parallel mixing theory, developed by F. Rastellini. This theory characterizes composite materials by coupling the constitutive behaviour of the composite components, imposing an iso-strain relation among the components in the fibre (or parallel) direction and an iso-stress relation in the remaining directions (serial directions). The proposed procedure uses a damage formula- tion to characterize the constitutive behaviour of matrix component in order to obtain the stress-strain performance of this material. With these two formulations, the delamination phenomenon is characterized naturally by the nume- rical simulation, being unnecessary the definition of special elements or computationally expensive techniques like the definition of contact elements or mesh separation. Matrix failure, as a result of the stress state found in it, leads to a reduction of the stiffness and strength capacity of the composite in its serial directions, among them, the shear component. This stiffness reduction provides a composite performance equivalent to what is found in a delaminated material. To prove the ability of the formulation proposed to solve delamination problems, the End Notch Fai- lure test is numerically simulated and the results obtained are compared with experimental ones. The agreement found in the results with both simulations, numerical and experimental, validate the proposed methodology to solve the delamination problem.Peer Reviewe