Dynamic modeling of crack propagation in ceramic laminate toughened composites with weak interfaces by using discrete element method

Zhang, Wen; Telle, Rainer

doi:999910337479

Dynamic modeling of crack propagation in ceramic laminate toughened composites with weak interfaces by using discrete element method = Dynamische Modellierung der Rissausbreitung in gehärteten Keramik-Laminat-Verbundstoffen mit schwachen Schnittstellen mithilfe der Diskrete-Elemente-Methode

Zhang, Wen (Author)

2013 & 2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Wen Zhang

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangIII, 106 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Prüfungsjahr: 2013. - Publikationsjahr: 2014

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Telle, Rainer (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-12-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-48929
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229990/files/4892.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Keramik <Technik> (Genormte SW) ; Laminat (Genormte SW) ; Rissausbreitung (Genormte SW) ; Dynamische Modellierung (Genormte SW) ; Diskrete-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; schwachen Schnittstellen (frei) ; SiC-C Laminat (frei) ; crack propagation (frei) ; SiC-C laminte (frei) ; weak interface (frei) ; discrete element method (frei) ; composite (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Keramik kann durch die Einführung schwachen Schnittstellen, die einen wachsenden Riss abzulenken kann verstärkt werden. Die Anwesenheit von schwachen Grenzflächen in einem spröden Material besteht daraus folgende Zunahme des Risswachstumwiderstands. Das Versagen der verstärkten Keramiken zeigen die sogenannten „graceful failure” (nicht katastrophal versagen). Um den dynamischen Prozess der Rissausbreitung in solchen verstärkten keramischen Laminaten numerisch zu reproduzieren, das Risswachstum in den SiC-C Laminat mit dem Graphit als schwache Schnittstellen wird mit Diskreten-Elemente-Methode (DEM) untersucht. Die zweidimensionale Bonded-Particle-Model (BPM) wird für Modellieren und Kalibrieren für die SiC und Graphit verwendet. In Bezug auf die Dicke der dünnen Zwischenschicht, werden zwei verschiedene BPMs getestet, und ein einfaches und explizites Modell ist für die Modellierung von SiC-C Laminat vorgeschlagen. Die Machbarkeit der Anwendung von BPM zu modellieren Bruchverhaltensweisen von Laminat wurde bestätigt. Durch die Modellierung der Drei-Punkt-Biegeversuch des Laminates werden Bruchverhaltensweisen wie Delamination und Rissablenkung dynamisch beobachtet. Die Beladungskurve zeigt die „graceful failure” Eigenschaften und in den modellierten Laminate werden wesentlichen R-Kurve Verhaltensweisen gefunden. Es wird darauf hingewiesen, dass für das Verstärkungseffekt aufzutreten, die Festigkeit der schwachen Schnittstelle muss in einem bestimmten Bereich liegen. Um die Festigkeit des Laminates zu erhöhen, ist eine minimale Präsenz der schwachen Schnittstelle notwendig. Rissablenkung als Verstärkungsmechanismus hat direktes Analogon in einigen biologischen Strukturen wie Knochen, Holz und Perlmutt. Bei sehr komplexen hierarchischen Designs in ihrer hochentwickelten Struktur sind diese Materialien in der Regel schwer zu imitieren und zu synthetisieren. Aus DEM Modellierung können effektiv Designs Optimierungen und Vorschläge zur Herstellung bio-imitieren Laminat gewonnen werden, wie z.B. die geeignete Festigkeit der schwachen Schnittstelle und der optimalen Anzahl von schwachen Grenzflächen in Bezug auf bestimmte Laminat Geometrie. Mit der Weiterentwicklung dieser Modell (dreidimensionale), würden andere Anwendungen möglich sein, z.B. die dynamische Modellierung der Rissausbreitung in faserverstärkten Verbundwerkstoffen und das Verständnis des komplexen „Knautschzone”, die in MAX-Phasen beobachtet werden.

Tough ceramics can be made by introducing weak interfaces which deflect a growing crack. The presence of weak interfaces in a brittle material can cause a consequent increase in the resistance of crack growth. The failure patterns of the toughened ceramics demonstrate the so-called "graceful failure" feature. In order to numerically reproduce the dynamic process of the crack propagation in such toughened ceramic laminates, discrete element method (DEM) is employed to study the crack growth in the SiC-C laminate with the graphite as weak interfaces. The two-dimensional Bonded-Particle-Model (BPM) is employed to model and calibrate the SiC and graphite. Regarding the thickness of the thin interlayer, two different BPMs are testified, and a simple and explicit model is proposed to model the SiC-C laminate. The feasibility of applying BPM to model fracture behaviors of laminate has been verified. By modeling the three-point-bending test of the laminate, fracture behaviors like de-lamination and crack deflection are observed dynamically. The loading curve shows the "graceful failure" feature and significant R-curve behaviors are found in the modeled laminates. It is found out that, for the toughening effect to occur, the strength of the weak interface has to be in a certain range. In order to increase the strength of the toughened laminate, a minimum presence of the weak interface is required. Crack deflection as toughening mechanism has direct analogues in some biological structures like bone, wood and nacre. With very complex hierarchical designs in their highly sophisticated structure, these materials are generally difficult to mimic and synthesize. From the DEM modeling, effective design optimizations and production suggestions can be gained for the bio-mimic laminate, as like the suitable strength of the weak interface and the optimum number of weak interfaces in respect to certain laminate geometry. With further development of this discrete element model to three-dimensional, other applications would be possible, for instance the dynamic modeling of the crack propagation in fiber reinforced composites and the reproducing and understanding of the complex "crumple-zone" which are observed in MAX-phases.

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