Notched strength and size effect in pseudo-ductile composite laminates

Abstract

ENG- Composite materials are favoured in aviation and automotive industries for their lightweight properties. However, their tendency to brittle failure poses challenges. The advent of thin-ply laminates, with improved fibre alignment and reduced resin-rich zones, offers significant advantages but may also increase brittleness by suppressing sub-critical damage mechanisms. To counter this, introducing pseudo-ductility via hybridisation has been explored to reduce the brittleness of laminated composites. Introducing pseudo-ductility in composites promotes sub-critical damage mechanisms, such as fibre or ply fragmentation, to produce a metal-like non-linear stress-strain response. While pseudo-ductility has been experimentally demonstrated in various instances, most studies examining its impact on notched laminates have been experimental, limited only to the realised pseudo-ductility levels. Factors like interlaminar toughness or ply strength ratios may limit these pseudo-ductility levels. Further, research on the size effect (relationship between the notched strength and specimen size) in pseudo-ductile laminates remains sparse and lacks definitive conclusions. Furthermore, the inevitable increase in ply thickness in the orientation-blocked sub-laminate approach, a typical method to attain pseudo-ductility, complicates the attribution of improvements solely to pseudo-ductility due to several interdependencies. This highlights the necessity for a numerically based approach to explore the complex relationships between material parameters defining pseudo-ductility and the laminate or semi-structural characteristics such as translaminar toughness, stress concentration factors, and notched strength/size-effect behaviour. This thesis aims to identify the optimal pseudo-ductile material properties at the laminate level for notched applications

CAT- Els materials compostos són molt utilitzats en les indústries de l'aviació i l'automoció per les seves propietats lleugeres. No obstant això, la seva tendència a la ruptura fràgil planteja reptes. L'aparició de laminats de capa fina, amb una millor alineació de fibres i reducció de zones riques en resina, ofereix avantatges significatius, però també pot augmentar la seva fragilitat en suprimir mecanismes subcrítics de dany. Per contrarestar això, s'ha explorat la introducció de pseudo-ductilitat mitjançant hibridació per reduir la fragilitat dels compostos laminats. Introduir pseudo-ductilitat en els compostos promou mecanismes de dany subcrític, com la fragmentació de fibres o capes, per produir una resposta de tensió-deformació no lineal semblant a la dels metalls. Encara que la pseudo-ductilitat ha estat demostrada experimentalment en diverses ocasions, la majoria dels estudis que examinen el seu impacte en laminats amb entalledures han estat experimentals, limitats només als nivells de pseudo-ductilitat realitzats. Factors com la tenacitat interlaminar o les proporcions de resistència de les capes poden limitar aquests nivells de pseudo-ductilitat. A més, la investigació sobre l'efecte de la mida (relació entre la resistència amb entalladures i la mida de la mostra) en laminats pseudo-dúctils és escassa i no presenta conclusions definitives. L'augment inevitable del gruix de capa en els sublaminats formats per capes d'igual orientació, un mètode típic per assolir la pseudo-ductilitat, complica l'atribució de millores únicament a la pseudo-ductilitat a causa de diverses interdependències. Això destaca la necessitat d'un enfocament basat en models numèrics per explorar les complexes relacions entre els paràmetres del material que defineixen la pseudo-ductilitat i les característiques del laminat o semi-estructurals com la tenacitat translaminar, els factors de concentració de tensions i el comportament de resistència vs. efecte de mida amb entalladures. Aquesta tesi té com a objectiu identificar les propietats pseudo-dúctils del material òptimes a nivell de laminat per a aplicacions amb entalladures