Thermoplastic composite energy absorbers under progressive crushing

Abstract

[Abstract] The increasing demand for sustainable and efficient aerospace structures has drivensignificant interest in thermoplastic composites, known for their favorable mechanicalproperties and recyclability. However, understanding the crashworthiness of composites,particularly under progressive crushing in dynamic loading conditions, presentssignificant challenges due to the complex and nonlinear behavior of these materials.This thesis investigates the response of thermoplastic composite structures under axialloading, with a focus on their application as energy absorbers in aerospace structures.These energy absorbers consist of thin-walled circular tubes made of wovenpolyphenylene sulfide carbon composite, with a bevel trigger at the top to enhancestability during crushing.A combined experimental and numerical methodology is employed, based on the buildingblock approach commonly used in aircraft certification. This approach allows fordirect comparison between the results obtained from numerical models and those fromexperimental tests. Finite element models are utilized to predict the structural responseof the thermoplastic components. These models incorporate continuous damagemechanics to simulate interlaminar and intralaminar behavior, for capturing the failuremodes of the tubes. Throughout the thesis, various failure theories are employedto model the composite material, acknowledging that each theory presents advantagesand limitations. To validate the numerical models, a series of experimental test campaignsare conducted. The specimens are manufactured at the Instituto Nacional deTécnica Aeroespacial (INTA). The research is structured around three main areas.The first area focuses on evaluating the crashworthiness behavior, energy-absorbing parameters,and failure modes of the energy absorbers under quasi-static axial loading.The specimens are tested under varying loads, with load and displacement measurementscaptured by a load cell, longitudinal strain evolution recorded by digital imagecorrelation, and failure progression documented by a high speed camera.To study the strain rate dependency of the material, the second area assesses theimpact behavior, energy absorption characteristics, and failure modes of thermoplasticcomposite energy absorbers subjected to axial impact loads. These tests are conductedusing a drop weight impact tower, with different impact velocities and masses. Boththe force, measured by a load cell, and the acceleration, recorded by an accelerometer,are monitored during the tests, which are also captured by a high speed camera toobserve the failure progression.To improve the energy absorption capacity of the absorbers, the third area focuses onthe application of structural foams as infill in the tubes subjected to impact loads, in order to enhance the energy absorption performance without significantly increasingthe weight. The compressive response of the foam is characterized through static anddynamic tests, with the resulting data used to calibrate the material model. Theinteraction effect between the foam and the composite tube is analyzed to assess thebenefits of incorporating foam fillers in improving crashworthiness.Finite element models show good agreement with the equivalent experimental tests,confirming their successful validation. Consequently, these validated models are employedto study in detail the phases and mechanisms of damage evolution during thecrushing, an analysis that cannot be fully captured through experimental methodsalone. The results indicate a progressive failure mode in the thermoplastic tubes, withdelamination observed between the middle plies. The bevel trigger plays a significantrole in ensuring stable damage propagation, contributing to the crashworthiness of thetubes. The thermoplastic composite energy absorbers achieve specific energy absorptionvalues of up to 70 kJ/kg, demonstrating adequate performance. However, underdynamic conditions, the tubes exhibit an average force about 60% lower than underquasi-static conditions, indicating a strain rate dependency in the energy absorptioncapabilities of the material. For the foam-filled tubes, the components achieve specificenergy absorption values of up to 40 kJ/kg and absorbed energies up to 15 kJ, showingsignificant improvement in crashworthiness compared to empty tubes. The foam fillerenhances energy absorption by approximately 43%, making these components suitablefor potential aerospace applications.The findings of this research highlight the energy absorption capability of thermoplasticcomposites and the reliability of numerical models in predicting crashworthinessmetrics and failure modes. These results, combined with the inherent recyclability ofthermoplastic materials, as well as their high stiffness and low weight, position them aspromising candidates for use in primary aerospace structures. The research contributesto reducing the knowledge gap on the progressive crushing behavior of thermoplasticcomposites, supporting the aerospace industry’s goals for improved crashworthiness,weight efficiency, and sustainability.

[Resumen] La creciente demanda de estructuras aeroespaciales sostenibles y eficientes ha impulsado un interés significativo en los materiales compuestos de matriz termoplástica, conocidos por sus favorables propiedades mecánicas y su capacidad de reciclaje. Sin embargo, comprender la capacidad de absorción de energía de los compuestos termoplásticos, particularmente en condiciones de aplastamiento progresivo bajo cargas dinámicas, presenta importantes desafíos debido a la compleja y no lineal naturaleza del comportamiento de estos materiales. Esta tesis investiga la respuesta de las estructuras compuestas termoplásticas bajo carga axial, centrándose en su aplicación como absorbedores de energía en estructuras aeroespaciales. Estos absorbedores de energía consisten en tubos circulares de pared delgada, fabricados con un compuesto de carbono de sulfuro de polifenileno tejido, con un bisel en la parte superior para mejorarla estabilidad durante el aplastamiento. Se emplea una metodología combinada experimental y numérica, basada en el enfoque de bloques de construcción comúnmente utilizado en la certificación de aeronaves. Este enfoque permite una comparación directa entre los resultados obtenidos de los modelos numéricos y los de los ensayos experimentales. Se utilizan modelos de elementos finitos para predecir la respuesta estructural de los componentes termoplásticos. Estos modelos incorporan mecánica de daño continuo para simular el comportamiento interlaminare intralaminar, capturando los modos de falla de los tubos termoplásticos. A lo largo de la tesis se emplean diversas teorías de falla para modelar el material compuesto, reconociendo que cada teoría presenta ventajas y limitaciones. Para validarlos modelos numéricos, se lleva a cabo una serie de campañas experimentales. Las probetas se fabrican en el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA). La investigación se estructura en tres investigaciones principales. La primera investigación se centra en la evaluación del comportamiento de absorción de energía, los parámetros de absorción de energía y los modos de falla de los absorbedores bajo carga axial cuasi-estática. Las probetas se ensayan bajo diferentes cargas, registrándose las mediciones de carga y desplazamiento mediante una célula de carga, la evolución de la deformación longitudinal mediante correlación digital de imágenes y la progresión de la falla a través de una cámara de alta velocidad. Para estudiar la dependencia de la tasa de deformación del material, la segunda investigación evalúa el comportamiento de impacto, las características de absorción de energía y los modos de falla de los absorbedores de energía compuestos termoplásticos sometidos a cargas de impacto axial. Estos ensayos se realizan utilizando una torre de impacto por caída, con diferentes velocidades y masas de impacto. Tanto la fuerza, medida por una célula de carga, como la aceleración, registrada por un acelerómetro, se monitorizan durante los ensayos, los cuales también se capturan con una cámara de alta velocidad para observar la progresión de la falla. Para mejorar la capacidad de absorción de energía de los tubos compuestos termoplásticos, su rendimiento de absorción de energía sin aumentar significativamente su peso. La respuesta a la compresión de la espuma se caracteriza mediante ensayos estáticos y dinámicos, cuyos datos resultantes se utilizan para calibrar el modelo de material. Se analiza el efecto de la interacción entre la espuma y el tubo compuesto para evaluar los beneficios de incorporar rellenos de espuma en la mejora de la capacidad de absorción de energía. Los modelos de elementos finitos muestran una buena concordancia con los ensayos experimentales equivalentes, confirmando su validación. Como resultado, estos modelos validados se emplean para estudiar en detalle las fases y mecanismos de evolución del daño durante el aplastamiento, un análisis que no se puede capturar completamente mediante métodos experimentales. Los resultados indican un modo de falla progresivo en los tubos termoplásticos, observándose delaminación entre las capas medias. El bisel juega un papel importante en garantizar una propagación estable del daño, contribuyendo a la capacidad de absorción de energía de los tubos. Los absorbedores de energía compuestos termoplásticos alcanzan valores de absorción de energía específicos de hasta 70 kJ/kg, demostrando un rendimiento adecuado. Sin embargo, bajo condiciones dinámicas, los tubos muestran una fuerza promedio aproximadamente un 60%menor que bajo condiciones cuasi-estáticas, lo que indica una dependencia de la tasa de deformación en las capacidades de absorción de energía del material. En el caso de los tubos rellenos de espuma, los componentes alcanzan valores de absorción de energía específicos de hasta 40 kJ/kg y energías absorbidas de hasta 15 kJ, mostrando una mejora significativa en la capacidad de absorción de energía en comparación con los tubos vacíos. El relleno de espuma mejora la absorción de energía en aproximadamente un 43%, lo que convierte a estos componentes en altamente efectivos para aplicaciones potenciales en la industria aeroespacial. Los hallazgos de esta investigación destacan la capacidad de absorción de energía delos compuestos termoplásticos y la fiabilidad de los modelos numéricos para predecir métricas de absorción de energía y modos de falla. Estos resultados, combinados con la capacidad de reciclaje inherente a los materiales termoplásticos, así como su alta rigidez y bajo peso, los posicionan como candidatos prometedores para su uso en estructuras aeroespaciales primarias. La investigación contribuye a reducir la brecha de conocimiento sobre el comportamiento de aplastamiento progresivo de los compuestos termoplásticos, apoyando los objetivos de la industria aeroespacial para mejorar la absorción de energía, la eficiencia en peso y la sostenibilidad.

[Resumo] A crecente demanda de estruturas aeroespaciais sostibles e eficientes impulsou un interese significativo nos compoñentes termoplásticos, coñecidos polas súas favorables propiedades mecánicas e a súa capacidade de reciclaxe. Non obstante, comprender a capacidade de absorción de enerxía dos compoñentes termoplásticos, particularmente en condicións de esmagamento progresivo baixo cargas dinámicas, presenta importantes desafíos debido á complexa e non lineal natureza do comportamento dos materiais compostos termoplásticos. Esta tese investiga a resposta das estruturas compostastermoplásticas baixo carga axial, centrándose na súa aplicación como absorbedores de enerxía en estruturas aeroespaciais. Estes absorbedores de enerxía consisten entubos circulares de parede fina, fabricados cun composto de carbono de sulfuro depolifenileno tecido, cun bisel na parte superior para mellorar a estabilidade durante o esmagamento.Empregouse unha metodoloxía combinada experimental e numérica, baseada no enfoquede bloques de construción comunmente utilizado na certificación de aeronaves.Este enfoque permite unha comparación directa entre os resultados obtidos dos modelos numéricos e os dos ensaios experimentais. Utilízanse modelos de elementos finitospara predicir a resposta estrutural dos compoñentes termoplásticos. Estes modelos incorporan mecánica de dano continuo para simular o comportamento interlaminar e intralaminar, capturando os modos de fallo dos tubos termoplásticos. Ao longo da tese empréganse diversas teorías de fallo para modelar o material composto, recoñecendo que cada teoría presenta vantaxes e limitacións. Para validar os modelos numéricos, lévase a cabo unha serie de campañas experimentais. As probetas fabrícanse no Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA). A investigación estrutúrase en tres investigacións principais. A primeira investigación céntrase na avaliación do comportamento de absorción deenerxía, dos parámetros de absorción de enerxía e dos modos de fallo dos absorbedores baixo carga axial cuasi-estática. As probetas ensáianse baixo diferentes cargas, rexistrándose as medicións de carga e desprazamento mediante unha célula de carga,a evolución da deformación lonxitudinal mediante correlación dixital de imaxes e aprogresión do fallo a través dunha cámara de alta velocidade. Para estudar a dependencia da taxa de deformación do material, a segunda investigación avalía o comportamento de impacto, as características de absorción de enerxíae os modos de fallo dos absorbedores de enerxía compostos termoplásticos sometidos a cargas de impacto axial. Estes ensaios realízanse utilizando unha torre de impacto porcaída, con diferentes velocidades e masas de impacto. Tanto a forza, medida por un haxii célula de carga, como a aceleración, rexistrada por un acelerómetro, monitorízanse duranteos ensaios, que tamén se capturan cunha cámara de alta velocidade para observara progresión do fallo. Para mellorar a capacidade de absorción de enerxía dos tubos compostos termoplásticos,a investigación final céntrase nos absorbedores de enerxía compostos termoplásticosrecheos de espuma sometidos a cargas de impacto. Estes tubos énchense con espuma estrutural para mellorar o seu rendemento de absorción de enerxía sen aumentar significativamente o seu peso. A resposta á compresión da espuma caracterízase mediante ensaios estáticos e dinámicos, cuxos datos resultantes utilízanse para calibraro modelo de material. Analízase o efecto da interacción entre a espuma e o tubo composto para avaliar os beneficios de incorporar recheos de espuma na mellora da capacidade de absorción de enerxía.Os modelos de elementos finitos mostran unha boa concordancia cos ensaios experimentais equivalentes, confirmando a súa validación. Como resultado, estes modelos validados empréganse para estudar en detalle as fases e mecanismos de evolución dodano durante o esmagamento, unha análise que non se pode capturar completamente mediante métodos experimentais. Os resultados indican un modo de fallo progresivo nos tubos termoplásticos, observándose delaminación entre as capas medias. O biselxoga un papel importante en garantir unha propagación estable do dano, contribuíndo á capacidade de absorción de enerxía dos tubos. Os absorbedores de enerxía compostos termoplásticos alcanzan valores de absorción de enerxía específicos de ata 70kJ/kg, demostrando un rendemento adecuado. Non obstante, baixo condicións dinámicas,os tubos mostran unha forza media aproximadamente un 60% menor que baixo condicións cuasi-estáticas, o que indica unha dependencia da taxa de deformación nas capacidades de absorción de enerxía do material. No caso dos tubos recheos de espuma,os compoñentes alcanzan valores de absorción de enerxía específicos de ata 40kJ/kg e enerxías absorbidas de ata 15 kJ, mostrando unha mellora significativa nacapacidade de absorción de enerxía en comparación cos tubos baleiros. O recheo de espuma mellora a absorción de enerxía en aproximadamente un 43%, o que convertea estes compoñentes en altamente efectivos para aplicacións potenciais na industriaa eroespacial.Os achados desta investigación destacan a capacidade de absorción de enerxía dos compoñentes termoplásticos e a fiabilidade dos modelos numéricos para predicir as métricasde absorción de enerxía e os modos de fallo. Estes resultados, combinados coa capacidade de reciclaxe inherente aos materiais termoplásticos, así como a súa alta rixideze baixo peso, posiciónaos como candidatos prometedores para o seu uso en estruturasaeroespaciais primarias. A investigación contribúe a reducir a fenda de coñecemento sobre o comportamento de esmagamento progresivo dos compoñentes termoplásticos,apoiando os obxectivos da industria aeroespacial para mellorar a absorción de enerxía,a eficiencia en peso e a sustentabilidade.