Egyirányú szálerősítésű kompozit alapanyag multiscale modellezése
Multiscale modelling of a unidirectional composite material
Keywords:
unidirectional composite, finite element analysis, material model fitting, /, egyirányú szálerősítésű kompozit, végeselemes szimuláció, anyagmodell illesztésAbstract
Currently three different methods are known for the finite element modelling of composite materials. The first method involves the complete modelling of the microstructure. The second neglects the microstructure and considers the composite structure as a single material, this method is called macro modelling. The third method is the meso, or multiscale modelling. In this case, the microstructure is neglected on the finite element model, but it is applied to every element in the form of a unit cell. In this work, the multiscale method is used for the modelling of a unidirectional composite material, using the Altair Multiscale Designer software. The laboratory tensile tests and the microscopic analysis of the microstructure, which are required for the modelling, are introduced. To test the accuracy of the model, the results of a three-point bend test were used. The measurement was done in laboratory conditions, based on which a simplified finite element model was created. The calculated and measured results were compared, based on which we were able to determine the accuracy of the created model.
Kivonat
A kompozit alapanyagok végeselemes vizsgálatára jelenleg három módszer ismert. Az egyik a mikrostruktúra teljes modellezése, a másik annak teljes elhanyagolása és a szerkezet egy anyagként történő kezelése, melyet makro modellezésnek nevezünk. A harmadik módszer pedig a meso, vagy multiscale modellezés, mely esetén a mikrostruktúra a végeselem modellen elhanyagolásra kerül, csak egy egységcella formájában hívjuk meg elemi szinten. Ezen munkában a multiscale módszert mutatjuk be egy egyirányú szálerősítéssel rendelkező kompozit alapanyag esetében, az Altair Multiscale Designer szoftver felhasználásával. Ismertetjük a modell létrehozásához szükséges laboratóriumi szakítóvizsgálatokat és a keresztmetszet mikroszkópos analízisét. A modell pontosságának ellenőrzéséhez egy hárompontos hajlítóvizsgálat eredményeit használtuk fel. A vizsgálatot elvégeztük laboratóriumi környezetben, majd ennek megfelelően egy egyszerűsített végeselemes modell is készült az összehasonlításhoz. A számított és mért eredmények összevetésével megállapítottuk az így létrehozott modell pontosságát.
References
Aboudi J, Arnold SM, Bednarcyk BA. Micromechanics of Composite Materials. Elsevier; 2013.
Fish J. Practical Multiscaling. Wiley; 2013.
Wriggers P, Hain M. Micro-Meso-Macro Modelling of Composite Materials. In: Computational Methods in Applied Sciences. 2007. p. 105–22.
Oddy C, Ekh M, Fagerström M. Macroscale modelling of 3D-woven composites : Elasto-plasticity and progressive damage. Int J Solids Struct. 2022;250(April):111696.
Oddy C, Ekh M, Ekermann T, Hallström S, Fagerström M. A framework for macroscale modelling of inelastic deformations in 3D-woven composites. Mech Mater. 2021 Sep;160(April):103856.
Zhuang W, Chen S, Yang X, Liu Y. Meso/macroscale study on the shear failure of CFRP laminates considering fibre rotation. Thin-Walled Struct. 2022 Dec;181(5988):110105.
Yin H, Li Q, Iannucci L. Meso-scale Finite Element (FE) modelling of biaxial carbon fibre non-crimp-fabric (NCF) based composites under uniaxial tension and in-plane shear. Compos Struct. 2022 Jun 15 [cited 2022 Sep 8];290:115538.
Naouar N, Vasiukov D, Park CH, Lomov S V., Boisse P. Meso-FE modelling of textile composites and X-ray tomography. J Mater Sci. 2020 Dec 14;55(36):16969–89.
Antin KN, Laukkanen A, Andersson T, Smyl D, Vilaça P. A multiscale modelling approach for estimating the effect of defects in unidirectional carbon fiber reinforced polymer composites. Materials (Basel). 2019;12(12).
Marszałek J, Stadnicki J, Danielczyk P. Finite element model of laminate construction element with multi-phase microstructure. Sci Eng Compos Mater. 2020;27(1):405–14.
Liu C, Xie J, Sun Y, Chen L. Micro-scale modeling of textile composites based on the virtual fiber embedded models. Compos Struct. 2019;230(October):111552.
Chang C, Zhang Y, Wang H. Micromechanical modeling of unidirectional composites with random fiber and interphase thickness distributions. Arch Appl Mech. 2019;89(12):2563–75.
ISO - ISO 527-5:2009 - Plastics — Determination of tensile properties — Part 5: Test conditions for unidirectional fibre-reinforced plastic composites [Internet]. [cited 2023 Feb 14].
