Finite element simulation of debonding of face/core interface in a circular sandwich plate under impact

The thesis addresses the issue of possible debonding of faces of a sandwich plate under hail-like impact conditions. The interface stresses are considered responsible for the debonding, and to design against this possibility, it is necessary to determine them correctly. The problem is addressed by constructing a FE program to accomplish the following tasks. (i) To analyse a circular sandwich plate as a three dimensional axisymmetric structure, supported at periphery and subjected to a central static load equivalent to the dynamic impact load. Since no plate theories are used, through-the-thickness stresses, from top to bottom, are determined accurately. (ii) To determine the interface stresses uniquely and correctly, an axisymmetric bimaterial interface element was developed and incorporated in the constructed FE program. The standard FE programs do not determine these stresses unambiguously. (iii) To determine the extent of debonding, the program uses an interface shear stress failure criterion. The possibility of interface separation and the impossibility of their inter-penetration are accounted for by means of a gap element. Based on this failure criterion, the program determines, for a given load, the debonding radius by means of iterative analyses. The equivalent static load used in the analysis is determined by an energy balance equation taking into account the mass, velocity, modulus, and radius of the spherical impactor, as well as the properties of the sandwich plate. The results are expected to be of general usefulness in the design of aircraft structures against hail impact damage.Ce mémoire étudie la problématique du décollement des interfaces d'une plaque sandwich sous des conditions d'impacte par grêlons. Les contraintes aux interfaces sont considérées responsables du décollement et pour pouvoir concevoir contre cette possibilité, il est nécessaire de les déterminer correctement. Le problème est approché en construisant un programme d'analyse des éléments finis pour accomplir les tâches suivantes. (i) Le programme analyse une plaque sandwich circulaire en tant que structure tridimensionnel axisymétrique supportée à sa périphérie et soumise à une charge statique équivalente à la charge dynamique d'impacte. Aucune théorie des plaques n'est utilisée, et donc les contraintes peuvent être déterminées précisément à différantes hauteurs d'une section de la plaque. (ii) Afin de déterminer les contraintes aux interfaces uniquement et correctement, un élément axisymétrique bimatériel a été développé et incorporé dans la construction du programme d'éléments finis. Les logiciels standards d'analyse par éléments finis ne peuvent déterminer ces contraintes sans ambiguïté. (iii) Pour déterminer l'étendue du décollement, le programme utilise un critère de rupture basé sur une contrainte de cisaillement maximale permissible aux interfaces. La possibilité de séparation des interfaces et l'impossibilité de leur interpénétration sont considérées par l'entremise d'éléments "espace". Basé sur ce critère de rupture, le programme détermine, pour une charge donnée, le rayon du décollement au moyen d'analyses itératives. La charge statique équivalente utilisée durant l'analyse est determinée selon une équation de conservation de l'énergie tenant compte de la masse, la vélocité, le module d'élasticité et le rayon de l'impacteur sphérique, ainsi que les propriétés de la plaque sandwich. Les résultats sont espérés d'être utile dans la conception de structures d'avion contre les impactes par grêlons