ITEM METADATA RECORD
Title: Forming Simulation of Textile Reinforced Composite Shell Structures (Vormgevingssimulatie van textielversterkte composiet schaalproducten)
Other Titles: Forming Simulation of Textile Reinforced Composite Shell Structures
Authors: Willems, An; M9823262
Issue Date: 2-Dec-2008
Publisher: Katholieke Universiteit Leuven, Faculteit Ingenieurswetenschappen
Abstract: Composietmaterialen kunnen metaal, aluminium of titanium mogelijk vervangen in verscheidene toepassingen als transport, sportartikelen, consumptie artikelen omwille van gewichtsreductie of andere ontwerpredenen. Composieten zijn heterogene materialen, samengesteld uit een versterking en een matrix materiaal. De versterking bestaat meestal uit vezels, en verschaft het composiet stijfheid en sterkte. De matrix is gewoonlijk een plastiek en leidt de krachten door van vezel naar vezel door de vezels onderling te verbinden. Textielcomposieten hebben een textielversterking en vertonen goede weerstand tegen impact en vermoeiing. De productie van schaalproducten uit textielcomposiet vereist het draperen van droge of met matrix geïmpregneerde textielen overheen matrijzen. Tijdens het draperen treden grote vervormingen op in het textiel. Deze vervormingen beïnvloeden de daaropvolgende productiestappen en de productkwaliteit en leiden soms tot vormfouten. De niet-lineaire eindige elementen methode ondersteunt de procesoptimalisatie door de vezelrichtingen en andere vervormingen op het product te voorspellen. Dit vereist de ontwikkeling van specifieke materiaalmodellen die het anisotroop gedrag van deze textielen in rekening brengen en de vezelrichtingen accuraat opvolgen. De eerste doelstelling van dit proefschrift is om twee testmethodes, die het textielgedrag in afschuiving en biaxiale trek karakteriseren, kritisch te evalueren en verbeteren. Deze testen genereren de noodzakelijke invoerdata voor de materiaalmodellen, maar zijn helaas nauwelijks gestandaardiseerd. Een tweede doelstelling betreft het ontwikkelen van een elastisch macroscopisch materiaalmodel dat het drapeergedrag in het vlak accuraat weergeeft. Hiervoor zijn bestaande modellen theoretisch bestudeerd en tweedimensionaal getest. Vervolgens is een nieuw model voorgesteld. Het nieuwe model onderscheidt zich doordat het op een pragmatische manier zowel het trekgedrag als het afschuifgedrag in rekening brengt en arbitraire grote materiaalvervormingen aankan. Tenslotte zijn de voorspelde vezeloriëntaties met experimentele data vergeleken in drie vormgevingsstudies. Hierbij is nagegaan hoe gevoelig de vezeloriëntaties op het product afwijken ten gevolge van wijzigingen in het materiaalgedrag of de procescondities. De plooihouderconfiguratie en matrijsgeometrie waren voor het onderzochte referentiemateriaal de meest invloedrijke parameters.
Table of Contents: 1 Introduction 1
1.1 Forming of textile composites . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Forming processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Drape behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 Drape simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.4 Textile testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Research objectives and contributions . . . . . . . . . . . 5
1.3 Outline of the dissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 The state-of-the-art in textile composite manufacturing 9
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Textile composite products . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Textile composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1 Reinforcements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 Matrix systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Textile composite production . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 Thermoset composite processing . . . . . . . . . . 17
2.4.2 Thermoplastic composite processing . . . . . . . . 19
2.5 The draping or forming step . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6 Deformation mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6.1 In-plane shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6.2 Biaxial tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6.3 Ply-tool and ply-ply friction . . . . . . . . . . . . . 26
2.6.4 Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6.5 Compaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6.6 Coupling between modes . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7 Textile testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7.1 Tensile testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7.2 Shear testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.7.3 Benchmark exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.4 Optical methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.7.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8 Drape forming simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.8.1 Mapping approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.8.2 FE forming analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.8.3 Predictive meso-scale models . . . . . . . . . . . . 48
2.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3 Macroscopic constitutive framework for draping of textile
prepregs 53
3.1 Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2 Mathematical background . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.1 Orthogonal versus curvilinear coordinate system . 58
3.2.2 Vector operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.3 Higher order tensors . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.4 Tensor operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.5 Tensor components . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.6 Tensor notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.7 Special tensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.8 Change of base system . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3 Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3.1 Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3.2 Choice of kinematic description . . . . . . . . . . . 70
3.3.3 Choice of reference frame . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.4 Metric properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.5 Deformation tensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.6 Spectral decomposition . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3.7 Rate of deformation tensor and spin tensor . . . . 78
3.3.8 Euclidean objective tensors . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.9 Pull-back and push-forward operations . . . . . . . 80
3.3.10 Tensor differentiation and integration . . . . . . . 84
3.3.11 Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.4 Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.4.1 Interpretation of curvilinear base vectors . . . . . . 94
3.4.2 Normalization of curvilinear base vectors . . . . . 95
3.4.3 Instantaneous volume . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.4.4 Instantaneous area . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.4.5 The stress vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.4.6 The Cauchy stress tensor . . . . . . . . . . . . . . 98
3.5 Constitutive modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.5.1 Hypo-elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.5.2 The Lee hypo-elastic framework (LHE) . . . . . . 107
3.5.3 The affine hypo-elastic framework (AHE) . . . . . 109
3.5.4 The Non-Orthogonal Constitutive Model (NOCM) 112
3.5.5 The affine elastic model (AEM) . . . . . . . . . . . 120
3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4 Textile characterization and forming experiments 129
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.3 Digital image correlation (DIC) . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.3.1 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.3.2 Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.3.3 DIC in the dissertation . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.3.4 Textile testing: 2D data processing . . . . . . . . . 133
4.3.5 Forming studies: 3D data processing . . . . . . . . 135
4.4 Uniaxial tensile tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.4.1 Set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.4.2 Data processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.5 Biaxial tensile tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.5.1 Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.5.2 Set-up improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.5.3 Test conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.6 Shear tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.6.1 Picture frame model . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.6.2 Shear tests at room temperature . . . . . . . . . . 167
4.6.3 Shear tests at high temperature . . . . . . . . . . . 183
4.6.4 Alternative picture frame design . . . . . . . . . . 185
4.7 Forming case studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4.7.1 Double Dome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4.7.2 Semi-cylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.7.3 Hemisphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
5 Material model validation 193
5.1 WISETEX meso-scale model . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.1.2 Material parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
5.1.3 Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.1.4 Tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.1.5 Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
5.2 In-plane testing of the constitutive frameworks . . . . . . 203
5.2.1 Tensile behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.2.2 Shear behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
5.2.3 Bias extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6 Thermoforming simulation 215
6.1 Case studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
6.1.1 Semi-cylindrical mold . . . . . . . . . . . . . . . . 215
6.1.2 Double dome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
6.1.3 Hemisphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
6.2 Sensitivity study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.2.1 Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.2.2 Tension and compression . . . . . . . . . . . . . . 242
6.2.3 Blankholder and friction . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.2.4 Material framework . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7 Conclusions and future developments 249
7.1 Main achievements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
7.2 Main conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.3 Future developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
8 Bibliography 255
A Transformation tensors, applied in the subroutines 267
A.1 Deformation gradient in ABAQUS . . . . . . . . . . . . . 267
A.2 The ALPHA tensor in the LHE framework . . . . . . . . 269
A.3 The ALPHA tensors in the AHE framework . . . . . . . . 270
B Tensile and shear testing 273
B.1 Measuring the machine compliance of the biaxial tester . 273
B.2 Picture frame model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
B.2.1 Kinematic equations . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
B.2.2 Friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
Curriculum Vitae 277
Publications 279
Nederlandse Samenvatting 283
1 Inleiding en doelstelling van het onderzoek . . . . . . . . . 283
1.1 Vormgeving van texielcomposieten . . . . . . . . . 283
1.2 Doelstelling van het onderzoek . . . . . . . . . . . 284
2 State of the art in de vervaardiging van textielcomposieten285
2.1 Vervormingsmechanismes . . . . . . . . . . . . . . 286
2.2 Textiel testmethodes . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
2.3 Simulatie van het drapeergedrag. . . . . . . . . . . 288
3 Macroscopische constitutieve rekenschemas voor het drapeergedrag
van textielen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
3.1 Wiskundige achtergrond . . . . . . . . . . . . . . . 289
3.2 Constitutieve modellering . . . . . . . . . . . . . . 289
4 Textiel karakterisatie- en vormgevingsexperimenten . . . . 291
4.1 Weefsels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
4.2 Digitale beeld correlatie (DIC) . . . . . . . . . . . 291
4.3 Uni-axiale trektesten . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
4.4 Biaxiale trektesten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
4.5 Afschuiftesten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
4.6 Vormgevingsstudies . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5 Validatie van de materiaalmodellering . . . . . . . . . . . 294
5.1 WISETEX meso-schaal model . . . . . . . . . . . 294
5.2 Validatie van de constitutieve rekenschema’s voor
vlakke spanningstoestanden . . . . . . . . . . . . . 295
6 Vormgevingssimulatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
6.1 Gevallenstudies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
6.2 Gevoeligheidsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
7 Besluiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Publication status: published
KU Leuven publication type: TH
Appears in Collections:Production Engineering, Machine Design and Automation (PMA) Section
Biomechanics Section
Department of Materials Engineering - miscellaneous

Files in This Item:
File Description Status SizeFormat
thesis_AnWillems.pdf Published 20731KbAdobe PDFView/Open

 


All items in Lirias are protected by copyright, with all rights reserved.