The thesis centres on the dynamic behaviour of woven composite materials. The increase in the use of these materials in the aerospace industry demands a reliable constitutive damage model to predict their response under high strain rate loading. The current available models do not include rate effects, are too complicated to use, are unable to provide a clear procedure for characterizing the model parameters, or are unable to accurately predict response when compared to experimental tests. / The present work focuses on developing a rate-dependant continuum damage mechanics model which considers all in-plane damages, i.e., damage due to matrix cracks and fibre failure in normal and shear directions. A physical treatment of growth of damage based on the extensive experimental results is combined with the framework of continuum damage mechanics models to form the foundation of the model for materials whose response is governed by elastic deformation coupled with damage. / The developed model simulates the non-linear and rate dependant behaviour of woven composite materials due to damage evolution. The model is implemented into a commercial finite element code (ABAQUS) as a two-dimensional user material subroutine. / Detailed study of the behaviour of these materials under high velocity loading and several experiments were required to establish material model parameters. Uniaxial tension as well as bias extension shear tests were carried out at both static and dynamic rates on three different woven composite materials. / A tensile version of the Hopkinson bar setup, in conjunction with the designed specimen and specimen fixture, are used for testing laminated woven composite materials at high rates of strain and a peak strain rate of up to 560/sec. Comparison of Hopkinson bar results with results of tests performed at a quasi-static rate using a servo-hydraulic testing machine clearly show that strain rate has an effect on both the stress and the strain to failure for these carbon woven composite materials. A higher stress is observed for dynamic tests, whereas the strains at the maximum stress are higher for the static experiments. Also, an increase in the initial undamaged elastic modulus is observed for both tensile and shear response with increasing strain rate. / Finally, the simulation results presented in this work demonstrate that the model can well predict the dynamic and the static response obtained from the experimental measurements. Simulation results for higher than tested strain rates are also presented to illustrate the response at these high rates. It is shown that the tensile strength increases with the increase in loading rate, and also a strain softening phenomenon is observed after the maximum tensile strength. The loading-unloading, as well as compression response of the materials are also simulated to ensure the capability of the model to capture these responses. / Cette thèse se concentre sur le comportement dynamique des matériaux composites tissés. L'augmentation de l'utilisation de ces matériaux dans l'industrie aéronautique requiert le développement de modèles constitutifs fiables pour prédire leurs réponses sous des conditions de chargement à haute vitesse de déformation. Actuellement, les modèles disponibles n'incluent pas les effets de vitesse de déformation, sont compliqués à utiliser ou ne sont pas capables de prédire avec précision le comportement expérimental de ces matériaux. / Ce travail focalise sur le développement d'un modèle de mécanique continue de la rupture tenant en compte la dépendance avec le taux de déformation. Ce modèle considère tous les dommages dans le plan : dommages provoqués par la fissuration de la matrice ainsi que ceux dus à la rupture de la fibre dans les directions normale et tangentielle. Un traitement physique de la propagation du dommage, basé sur un vaste ensemble de résultats expérimentaux, est combiné avec les modèles de mécanique continu de la rupture afin de développer un modèle pour ces matériaux tissés, dont la réponse comportementale est gouvernée par un couplage ente la déformation élastique et la rupture. / Le modèle développé dans cette étude simule le comportement non-linéaire et dépendant du taux de chargement des matériaux composites tissés provoqué par l'évolution des dommages. Ce modèle est implémenté dans un logiciel commercial d'élément fini (ABAQUS) en tant qu'un sous-programme définissant les propriétés bidimensionnel des matériaux. / Une étude détaillée du comportement de ces matériaux, soumis à des chargements à hautes vitesses, et plusieurs expériences ont été requises pour établir les paramètres du modèle. Des tests en tension uni-axiale et en cisaillement à bi-extension ont été réalisés à la fois pour des cas statiques et dynamiques sur trois matériaux composites tissés différents. / Une version en tension du dispositif à barres de Hopkinson, utilisant les spécimens et fixations conçus, a été utilisée pour tester des laminés de matériaux composites tissés dans des conditions de haut taux de déformation. Un taux maximum de déformation a été obtenu à 560/sec. La comparaison des résultats obtenus avec les barres de Hokinson, avec ceux obtenus avec des tests quasi-statique utilisant une machine de test servo-hydraulique, démontre clairement l'effet du taux de déformation sur les contraintes et déformations à la rupture pour ces matériaux composite à fibres de carbone tissés. Des contraintes plus importantes sont observées pour les tests dynamiques, tandis que les déformations pour les contraintes maximales sont plus grandes pour les tests statiques. De plus, une augmentation du module élastique initial non endommagé est observée avec l'augmentation du taux de déformation, à la fois pour la réponse en tension et en cisaillement. / Finalement, les résultats des simulations présentés dans ce travail démontrent que le modèle peut prédire correctement la réponse statique et dynamique obtenue par les mesures expérimentales. Les résultats des simulations, pour des taux de déformations plus grands que ceux testés expérimentalement, sont aussi présentés pour illustrer la réponse du matériau à ces haut taux de déformation. Cette étude montre que la résistance en tension augmente avec l'augmentation du taux de chargement. De plus, un phénomène d'adoucissement des déformations est aussi observé après la résistance maximum en tension. Le chargement-déchargement, ainsi que la réponse en compression de ces matériaux sont aussi simulés pour assurer la capacité du modèle à capturer ce type de réponses.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.92165 |
| Date | January 2010 |
| Creators | Foroutan, Rana |
| Contributors | James Nemes (Supervisor1), Pascal Hubert (Supervisor2) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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