Three-dimensional modeling of interlaminar normal stresses in curved laminate components

Abstract

Curved composite components are being used more frequently in engineering applications due to their desirable and customizable mechanical properties coupled with their low density. However, the stress analyses that have been published thus far are mostly for two-dimensional finite element models and for a cross-ply and unidirectional laminates. These do not accurately model how the interlaminar stresses induced by the lay-up of the laminate couple with the radial stresses induced by the geometry of the curved component. A three-dimensional finite element model of a curved composite component was created and compared to published experimental data to verify its accuracy. The model was then used to model six symmetric layups: unidirectional, [0/10]s, [0/20]s, [0/45]s, [0/70]s, and [0/90]s subjected to similar loading as the published experiment. The interlaminar normal stresses were modeled across the width of the curved composite component at selected regions of the circumference. Interlaminar normal stress was determined to have the largest effect in delamination initiation of a curved composite component. The radius of the curve was varied and the maximum radial stress was found to increase as the radius of the curve decreased. The effect that the lay-up had on the interlaminar normal stress distribution was investigated and it was found to influence both the interlaminar stresses induced at the free edge of the laminate and the torsion induced as a result of the constraints of the coupon and the proneness of the laminate to twisting. It was concluded that three-dimensional modeling is required to accurately determine where delamination will initiate on a curved composite component with angled plies, as a two-dimensional model could underpredict the interlaminar normal stress by up to 37%.

Les pièces fabriquées de matériaux de composites courbées sont utilisées de plus en plus fréquemment dans les applications d'ingénierie en raison de leurs propriétés mécaniques attrayantes et facilement adaptable, et cela couplé avec leurs densités peu-élevé. Cependant, les analyses de contraintes publiées jusqu'à présent ont été effectué principalement à l’aide de modèles d'éléments finis bidimensionnels se concentrant sur des stratifiés croisés et unidirectionnels. Celles-ci ne modélisent pas de façon précise la manière dont les contraintes normales interlaminaires induites par la superposition des couches du stratifié sont couplées aux contraintes radiales induites par la géométrie du composant courbé. Un modèle tridimensionnel d'éléments finis d'un composant composite courbé a été créé et comparé aux données expérimentales publiées pour en vérifier l'exactitude. Le modèle a ensuite été utilisé pour modéliser six stratifiés symétriques: unidirectionnelle, [0/10]s, [0/20]s, [0/45]s, [0/70]s et [0/90]s. Ceux-ci ont été soumis à un chargement similaire à celui de l'expérience publiée. Les contraintes normales interlaminaires ont été modélisées sur toute la largeur du composant à des endroits présélectionné dans la circonférence de la courbe. Il a été déterminé que la contrainte normale interlaminaire avait le plus grand effet sur l’initiation de la délamination d’un composant de composite courbée. Le rayon de la courbe a été modifié et il a été constaté que la contrainte radiale maximale augmentait à mesure que le rayon de la courbe diminuait. L’effet de la superposition sur la distribution normale des contraintes interlaminaires a aussi été étudié. Il a été constaté que la superposition influençait à la fois les contraintes interlaminaires induites au bord libre du stratifié et qu’elle influençait la torsion induite par les contraintes du coupon, incitant ainsi le stratifié à tordre. Il a été conclu qu'une modélisation tridimensionnelle est nécessaire pour déterminer avec précision la contraint maximale à laquelle de la délamination aura lieu sur un composant fabriquée de composites courbées. Il est estimé qu’un modèle bidimensionnel pourrait sous-prédire la contrainte normale interlaminaire jusqu'à 37%.