DUGi

A strategy for efficient modelling of composite delamination in large structures

http://dugi.udg.edu/item/http:@@@@hdl.handle.net@@10256@@26996

ENG- Delamination, the separation of composite laminate layers, is a major issue in industries using fibre-reinforced polymers, such as airliners, automobiles and wind turbines. While existing numerical models can accurately simulate delamination, their high computational cost limits large-scale applications. Traditional modelling uses a layerwise approach with fine refinements, increasing computational demand. This research presents a more efficient strategy using an adaptive framework. The model starts with a single element for the laminate’s thickness, adding refinements only where delamination occurs. This approach reduces unnecessary computational effort. A key challenge is detecting the onset of delamination in unrefined models. To address this, a new method reconstructs out-of-plane stresses across the laminate thickness, which is initially modelled with a single element. Once a crack is introduced adaptively, its growth must be modelled using large elements (e.g. 5 mm). An energy-based criterion (Virtual Crack Closure Technique) is coupled to a novel cohesive law modelling the crack advancement while dissipating the fracture energy. A new algorithm extends the energy-based growth criterion to distorted meshes and enables the modelling of complex delamination fronts. Used separately in industry, the stress reconstruction method helps identify high-stress regions in large structures for more detailed analysis, while the energy-based cohesive model enables fast damage tolerance assessments. When combined, these innovations form a novel modelling strategy tailored for large structures. A proof-of-concept test demonstrates that the computational cost is drastically reduced while maintaining accuracy. This research benefits industries relying on composite structures. In aerospace, faster delamination modelling reduces development costs. In automotive applications, it supports the adoption of lightweight composites, improving the energy efficiency of the vehicles. For these reasons, this thesis contributes to the energy transition towards lower greenhouse gas emissions

CAT- La deslaminació, la separació de les capes d’un laminat compost, és un problema important en indústries que utilitzen polímers reforçats amb fibra, com l’aeronàutica, l’automoció i les turbines eòliques. Tot i que els models numèrics existents poden simular amb precisió la deslaminació, el seu alt cost computacional en limita l’aplicació a gran escala. Els mètodes de simulació tradicionals utilitzen un enfocament per capes amb refinaments fins, fet que augmenta la demanda computacional. Aquesta investigació presenta una estratègia més eficient mitjançant un marc adaptatiu. El model comença amb un sol element per al gruix del laminat i afegeix refinaments només allà on es produeix la deslaminació. Aquest enfocament redueix l’esforç computacional innecessari. Un dels principals reptes és detectar l’inici de la deslaminació en models no refinats. Per abordar aquesta qüestió, es proposa un nou mètode que reconstrueix les tensions fora del pla al llarg del gruix del laminat, inicialment simulat amb un sol element. Un cop s’introdueix una esquerda de manera adaptativa, el seu creixement s’ha de simular amb elements grans (per exemple, 5 mm). Un criteri basat en l’energia (tècnica del tancament virtual de l’esquerda del anglès Virtual Crack Closure Technique) es combina amb una nova llei cohesiva per simular la propagació de l’esquerda mentre es dissipa l’energia de fractura. Un nou algorisme amplia el criteri de creixement basat en l’energia a malles distorsionades i permet simular fronts de deslaminació complexos. Utilitzats per separat en la indústria, el mètode de reconstrucció de tensions ajuda a identificar les regions d’alta tensió en estructures grans per a una anàlisi més detallada, mentre que el model cohesiu basat en energia permet avaluacions ràpides de la tolerància als danys. Quan es combinen, aquestes innovacions formen una estratègia de simulació nova adaptada a estructures de gran escala. Una prova de concepte demostra que el cost computacional es redueix dràsticament mentre es manté la precisió. Aquesta investigació beneficia les indústries que dissenyen estructures de materials compostos. En el sector aeroespacial, la simulació més ràpida de la deslaminació redueix els costos de desenvolupament. En aplicacions d’automoció, facilita l’adopció de materials compostos lleugers, millorant l’eficiència energètica dels vehicles. Per aquestes raons, aquesta tesis contribueix a la transició cap a una reducció de les emissions de gasos amb efecte d’hivernacle

Programa de Doctorat en Tecnologia

Universitat de Girona