Experimental and Numerical Investigation of the Impact Resistance and Impact Damage Tolerance of a Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Polyphenylene Sulfide (pps) Matrix Composite

Abstract

The impact resistance and impact damage tolerance of an aerospace grade high performance 5 Harness Satin woven fabric carbon fiber reinforced/polyphenylene sulfide matrix (CF/PPS) thermoplastic composite were investigated experimentally and numerically. The numerical modeling was performed using the experimentally determined parameters of material model MAT-58 and Hashin failure criteria in LS-DYNA using the single shell and stacked shell models. The numerical models of the low velocity impact (LVI) tests showed good correlations with the experimental tests while the stacked shell model showed nearer results with the experimental tests. The stacked shell model also estimated the LVI test delamination areas, which were comparable with the experimental damage areas. The LVI tested coupons were further subjected to the compression after impact (CAI) tests in order to determine the damage tolerance of CF/PPS composite. The CAI tests were modeled using the single shell model. The numerical models of the CAI tests showed very similar trends with the experimental CAI tests. The trends were shown to be more converging in the specimens tested at 3 m/s and above in the LVI tests. Lastly, three high velocity impact (HVI) tests were performed at around 100 m/s. The failure mode of the HVI tests was shown to be very different from that of the LVI tests. The long longitudinal and transverse cracks were formed in the HVI tests. The delamination damage in the HVI tests determined using the stacked shell model was found to be more comparable with the experimental delamination damage determined by the C-Scan.

Havacılık sınıfı yüksek performanslı 5 Harness Satin (5 HS) örgülü kumaş karbon fiber takviyeli/polifenilen sülfid matrisli (CF/PPS) termoplastik kompozitlerin çarpma direnci ve çarpma hasar toleransı deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. Nümerik modelleme çalışmaları deneysel testler sonucu parametreleri belirlenen MAT-58 malzeme modeli ve Hashin kırılma kriterleri kullanılarak LS-DYNA'da tek katman ve çoklu katman modelleri ile gerçekleştirilmiştir. Düşük hızlı çarpma testlerinin nümerik modelleri deneysel testlerle iyi korelasyon göstermesine karşın çoklu katman modeli ile daha yakın sonuçlar elde edilmiştir. Ayrıca, çoklu katman modeli kullanarak düşük hızlı çarpma testlerindeki delaminasyon alanlarını hesaplanabilmiş, elde edilen sonuçlar deneysel testlerdeki delaminasyon hasar alanlarıyla benzer bulunmuştur. LVI testine tabi tutulan CF/PPS kompozit numuneler sonrasında hasar sonrası oluşan dayanım toleransını belirlemek için çarpma sonrası basma (CAI) testlerine tabi tutulmuştur. CAI testlerinin nümerik modeli tek katmanlı modelleme tekniği kullanılarak modellenmiştir. CAI testlerinin nümerik modelleri, deneysel CAI testleriyle çok benzer eğilimler göstermiştir. Bu eğilimler, LVI testlerinde 3 m/s ve üzeri hızlarda test edilen numunelerde daha yakınsamış olarak görülmüştür. Son olarak, yaklaşık 100 m/s hızda üç adet yüksek hızlı çarpma (HVI) testi gerçekleştirilmiştir. HVI testlerinin kırılma ve hasar modları, LVI testlerininkinden çok farklı olarak gözlemlenmiştir. Boyuna ve enine olmak üzere uzun ana çatlaklar HVI testleri sonucu oluşmuştur. HVI testleri hem tekli katman hem de çoklu katman modelleme teknikleri ile modellenmiştir. Çoklu katman modeli kullanılarak belirlenen HVI testlerindeki delaminasyon hasarı, C-Tarama hasarsız muayene ile belirlenen deneysel delaminasyon hasarıyla tutarlı bulunmuştur.