On fiber network fracture mechanics and kink band formation in biocomposites
Tid: Fr 2023-03-17 kl 09.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/68993674093
Språk: Engelska
Ämnesområde: Hållfasthetslära
Respondent: Vedad Tojaga , Hållfasthetslära
Opponent: Professor Emanuela Bosco, TU Eindhoven
Handledare: Professor Sören Östlund, Hållfasthetslära; Professor Artem Kulachenko, Hållfasthetslära; Professor T. Christian Gasser, Hållfasthetslära
QC 230220
Abstract
Avhandlingen sammanfattar sju bifogade artiklar om (1) fiberbrott i nätverksbaserade material som t.ex. papper och kartong, och (2) kompressionshållfastheten hos linfiberkompositer, vilket är ett lovande miljövänligt alternativ till syntetiska kompositmaterial.
(1) I Paper I betraktas en finit elementformulering av en elastiskt-plastisk Timoshenko balk med en inbäddad stark diskontinuitet för att beskriva multipla fiberbrott i fibernätverk. Detta har inte varit möjligt i tidigare studier. Eftersom det kopplade (monolitiska) problemet är icke-konvext, materialiserat genom dålig robusthet och oönskade materialinstabiliteter, presenteras en sekventiell minimeringsalgoritm för denna klass av problem som medför att styvhetsmatrisen förblir positivt definit. I Paper II föreslås en hybrid av monolitiska och sekventiella lösningsmetoder för robusta och beräkningseffektiva simuleringar av multipla fiberbrott i fibernätverk. Jämfört med det sekventiella tillvägagångssättet erhålles en upp till trettiofaldig prestandavinst för ett antal i testexempel. Hybridmetoden representerar en matrisregulariseringsteknik som bibehåller en positivt definit styvhetsmatris samtidigt som tangentstyvhetsmatrisen närmar sig det monolitiska problemet. I Paper III utvecklas en geometriskt olinjär Simo-Reissner balkteori med inbäddade starka diskontinuiteter baserad på metoden för icke kompatibla deformationsmoder, som fångar aktiveringen av ytterligare fibrer under belastningen. Dessutom visas att beaktande av geometriska olinjäriteter i formuleringen av balkteorin ger betydande bidrag till responsen vid direkta numeriska simuleringar av fibernätverk oavsett nätverkets densitet.
(2) I Paper IV formuleras ett flerskaligt ramverk för homogenisering av kompositlaminat. Det momentana konstitutiva beteendet hos matrisen och fibern modelleras separat med hjälp av en kombinerad Voigt och Reuss approximation. Kompositlaminatets egenskaper fås därefter genom en uppskalning. En fördel med detta tillvägagångssätt är att det är oberoende av fiberrotationer eftersom det är helt definierat i kompositens referenskonfiguration. Linfiberns spännings-töjningsrespons i kompression är nödvändig i den mikromekaniska beskrivningen av linfiberkompositer. I Paper V beräknas den med data från kompressionsprovning av impregnerade fiberbuntar, det s.k. Impregnated Fiber Bundle Test (IFBT), och blandningslagarna för kompositer. I Paper VI formuleras hyperelastiska modeller för deformationsplasticitet för stora töjningar. En applikation inkluderar att efterlikna fiberns och matrisens spännings-töjningsrespons vid homogenisering av skiktade kompositmaterial, vilket numeriskt verifieras med en mikromekanisk modell. I Paper VII utökas den hyperelastiska modellen för att ta hänsyn till fiberskador. Det visas både numeriskt och experimentellt, genom röntgendatortomografi (XCT) och svepelektronmikroskopi (SEM), att fiberskador har en avgörande betydelse för linfiberkompositers kompressionsstyrka. Typiska mikroskopiska fiberskador är krossning av elementärfibrer och splittring av tekniska fibrer.