Numerical simulation of the damage behavior of bidirectionally reinforced ceramic cross-ply laminates

Abstract

 The behavior of bidirectionally reinforced SiC/SiC cross-ply laminates is studied with the help of numerical simulations based on the finite element method (FEM). Within the presented model the composite is regarded on the layer scale considering each layer as homogeneous with `layer properties'. Brittle cracking as well as damage effects can appear within each layer, which is why both a damage and a fracture model for the plies is derived. The damage model is based on damage variables depending on the strain state. Fracture is checked using a fracture criterion, a crack and a post-failure model. In this way fracture can be considered for multiaxial stress states and the statistical distribution of strength values as well as load transfer effects after crack initiation can be taken into account. By subjecting the structure to a cooling down process before mechanical loading in one of the fiber directions the residual thermal stresses within the layers can also be regarded. The purpose of the simulations is to indicate the influence of important parameters on the composite behavior.

Zusammenfassung

 In der vorliegenden Arbeit steht die numerische Beschreibung des Verhaltens faserversärkter, keramischer Laminate auf SiC/SiC Basis im Vordergrund. Der Zugang erfolgt über die Methode der finiten Elemente. Die Modellbildung wird auf der Ebene der Faserschichten des Laminates durchgeführt. Dabei finden die unterschiedlichen in Laminaten auftretenden Versagensmechanismen Berücksichtigung. Je nach vorliegender Belastung kann hier sowohl ein sprödes Versagen als auch eine allmähliche Abnahme der elastischen Eigenschaften in den einzelnen Schichten beobachtet werden, weshalb ein Versagenskriterium und ein Schädigungsmodell zur Beschreibung dieser Vorgänge vorgestellt werden. Die Berücksichtigung von Lastübertragungseffekten im Anschluß an die Rißbildung sowie der für keramische Bauteile charakteristischen Festigkeitsschwankungen sind weitere Kernstücke des vorgestellten Modells. Vor der eigentlichen mechanischen Belastung wird die betrachtete Struktur zunächst einem Abkühlvorgang unterworfen um auch thermisch bedingte Eigenspannungen einbeziehen zu können. Mit Hilfe des vorgestellten Modells wird die Abschätzung des Einflusses wichtiger Parameter auf das Laminateverhalten unter zügiger einachsiger Beanspruchung möglich.