Improved simulation techniques for modelling impact and crash behaviour of composite structures

Abstract

Composite elements such as glass- and carbon-fibre-reinforced tubes in axial crush exhibit high specific energy absorption (SEA) and a challenge for the engineer is to utilise these properties in structural applications. Numerical tools based on the Finite Element Method (FEM) are unable to simulate accurately the observed crush fronts in brittle composite composed of delaminations with fibre and matrix debris, which have a strong influence on energy absorption (EA). As alternative Meshless Methods replace finite element(FE)s by a set of nodes or particles and have the potential to simulate the fragmentation behaviour. However, they are computationally less efficient and costly and appropriate material models and failure criteria are not yet established. Therefore there is an increasing interest in combining the two different numerical methods. Such coupling could exploit the potential of each method while avoiding their deficiencies. In this work the meshless Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) Method was used for modelling of composite damage phenomena under crash and impact loads. The computational studies were conducted in the explicit numerical tool PAM-CRASH. Because SPH Method is computationally expensive depending on the dynamic neighbouring search algorithm, new numerical techniques were suggested to reduce the computational time. In these techniques the failure region was modelled using a discrete particle formulation (direct coupling) or the FE mesh was converted into discrete particles (semi-adaptive coupling) to model the debris in the propagating crush front. The coupling was applied through a sliding interface condition. The applicability of SPH Method was firstly tested via benchmark simulation examples, which helped understanding the numerical response of discrete modelling under different loading conditions. The results of the benchmark study were extended to high velocity impact (HVI) simulations of sandwich composite panels. These numerical simulations were conducted for different sandwich panel configurations, impactor shapes and impact velocities. The sandwich panels consisted of carbon fibre/epoxy facings and a core of polyetherimide (PEI) or aramid paper honeycomb (Nomex). The facings were modelled with standard layered shell elements whilst for the PEI core discrete particles were used. In the case of the Nomex core, the core material was modelled with standard solid elements in which the discrete particles were embedded. The numerical results, such as contact force, core deformation and maximum penetration, obtained by using FEM, SPH Method, direct- and semi-adaptive coupled FEM/SPH Method were compared with the experimental results of gas gun impact tests and good agreement was observed. The coupled techniques showed that they can describe more accurately the physical phenomena involved in the EA in the core, where element distortion occurs. Due to the increase of computational time with increasing number of particles, the coupled techniques showed to be adequate since SPH Method was only employed in the impact damage zone. The crashworthy response of aluminum (Al) and composite energy absorbers made of carbon fibre composites were also studied. For both crash absorbers, the tube walls were modelled with shell elements. In the case of metallic tubes, the discrete and the coupled FE/discrete element (DE)s were used to model the polystyrene (PS) foamfiller. For the composite energy absorbers, the crushing response of tube segments specially developed for crushing studies was investigated. These segments could be easily built in thermoset and thermoplastic composite materials with the advantage of giving an indication on the crushing behaviour of bigger structural component made of the same material. For their modelling, the layered shell model was used. The resin material, which showed elastic-plastic material response during crushing, was modelled with discrete particles while bonding and delamination with tied-contact algorithm. Numerical results were also compared with experimental data obtained by crush tests. They showed good agreement for the Al absorbers. Since these tubes are, from the point of view of particles, a closed domain, the experimentally observed deformation modes could be successfully numerically reproduced. This mainly relied on the reproducibility of the crushing behaviour of the metallic structures and their well-known standard material parameters. Composite specimens on the other hand presented different deformation patterns.

Verbundstrukturen wie glasfaser- und kohlefaserverstärkte Rohre weisen unter axialer Crushing-Belastung ein hohes spezifisches Energieabsorptionsvermögen auf. Dem Ingenieur wird die Herausforderung gestellt, diese Materialeigenschaften für die Anwendung in Strukturen einzusetzen. Numerische Verfahren, die auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) basieren, sind meistens nicht dazu geeignet, die Crushing-Front, die in spröden Verbundwerkstoffen beobachtet wird, genau zu simulieren. Diese Front spielt dennoch eine bedeutende Rolle bei dem Energieabsorptionsvermögen der Verbundstrukturen. Netzfreie Methoden hingegen stellen eine Alternative dar, in der die finiten Elemente durch Knoten oder Partikel ersetzt werden. Diese Methoden haben somit das Potenzial, das Fragmentationsverhalten von Verbundstrukturen zu simulieren. Sie sind jedoch numerisch weniger effizient und kostenspielig. Außerdem sind geeignete Materialmodelle und Versagenskriterien noch nicht etabliert. Daher besteht ein zunehmendes Interesse an der Kopplung dieser zwei unterschiedlichen numerischen Verfahren, welche die Vorteile jedes Verfahrens ausnutzen, ohne deren Nachteile mit einzubeziehen. In der vorliegenden Arbeit wurde das netzfreie Smooth-Particle-Hydrodynamics (SPH) Verfahren für die Modellierung des Nachbruchverhaltens von Verbundstrukturen unter Crash- und Impaktbelastungen eingesetzt. Die numerischen Untersuchungen wurden mit Hilfe des expliziten Berechnungsprogramms PAM-CRASH durchgeführt. Da das SPH-Verfahren je nach ausgewähltem Algorithmus zur dynamischen Suche der umliegenden Partikel numerisch betrachtet kostenintensiver wird, wurden hierfür neue numerische Verfahren zur Minimierung der Rechenzeit vorgeschlagen. Diese verwendeten eine diskrete Partikel-Formulierung für die Modellierung der Versagenszone (direkte Kopplung) oder ersetzten die finiten Elemente durch diskrete Partikel für die Modellierung von Debris in der sich ausbreitenden Crushing-Front (semi-adaptive Kopplung). In beiden Fällen wurde die Kopplung durch die sliding interface condition realisiert. Die Einsetzbarkeit des SPH-Verfahrens wurde zunächst an Hand von Benchmark Simulations-Beispielen getestet. Diese Beispiele trugen dazu bei, die numerische Antwort der diskreten Modellierung unter bestimmten Lastbedingungen zu verstehen. Die daraus resultierenden Ergebnisse wurden anschließend für die Simulation von Hochgeschwindigkeitsimpakt (HVI) an Sandwich-Verbundplatten herangezogen. Bei der Berechnung wurden verschiedene Sandwich-Platten-Konfigurationen, Impaktorgeometrien und Impaktgeschwindigkeiten verwendet. Die Sandwich-Verbundplatten bestanden aus Kohlefaser/ Epoxy-Außenschalen und einem Kern aus Polyetherimide (PEI) oder aus einer Aramid Papierwabenstruktur (Nomex). Die Außenschalen wurden mit konventionellen mehrschichtigen Schalenelementen modelliert, der PEI-Kern mit diskreten Partikeln. Der Nomex-Kern wurde mit herkömmlichen Solid-Elementen mit eingebetteten diskreten Partikeln modelliert. Die numerischen Ergebnisse, die mittels FEM, SPH, direktem und semi-adaptiv gekoppeltem FEM/SPH-Verfahren gewonnen wurden, wurden mit experimentellen Ergebnissen aus Impakt-Tests verglichen und zeigten eine gute Übereinstimmung. Die vorgeschlagenen gekoppelten numerischen Verfahren ermöglichten eine bessere Beschreibung der Energieabsorption im Kern, wo Elementdistortion stattfindet. Aufgrund der erhöhten Rechenzeit und mit zunehmender Anzahl von angewandten Partikeln erwies sich der Einsatz des SPH-Verfahrens, wie in der Arbeit vorgeschlagen, beschränkt auf die Impakt-Versagenszone, als adäquat. Zusätzlich wurde das Nachbruchverhalten von Aluminium- und Verbund-Crashrohren bestehend aus Kohlefasergewebe untersucht. Für die beiden Crashrohrtypen wurden die Rohrwände mit Schalenelementen modelliert. Diskrete und gekoppelte finite/diskrete Elemente wurden für die Beschreibung der Polystyrene Schaumfüllung des metallischen Crashrohrs eingesetzt. Rohrsegmente wurden als Verbund Crashrohre verwendet und ihr Crushing-Verhalten untersucht. Diese Segmente, bestehend aus Thermoset- und thermoplastischen Verbundwerkstoffen, wurden besonders für Crushing Untersuchungen entwickelt und haben den Vorteil, dass sie einen guten Hinweis auf das Crushing-Verhalten größerer Strukturen gleicher Materialien geben. Zur Berechnung der Rohrsegmente wurden gestapelte Schalenelemente für mehrschichtige Verbundwerkstoffe verwendet. Das Harzmaterial, welches ein elastisch-plastisches Materialverhalten während Crushing aufwies, wurde mit diskreten Partikeln modelliert, Klebung und Delamination mit einem Tied-Contact Algorithmus. Auch hier wurden numerische und experimentelle Ergebnisse aus Stauchversuchen verglichen. Der Vergleich erbrachte eine sehr gute Übereinstimmung der Resultate für die Crashrohre.