Interfacial Fracture Toughness of Multilayer Composite Structures

Abstract

The interfaces in multilayer composite structures are susceptible to delamination due to the combination of active tensile and shear loads under operating conditions. A four-layer center crack composite beam in four-point bending is simulated to determine the interfacial fracture energy of the multilayer structure. The crack is propagating along the interface between the second and third layers. Based on the Euler–Bernoulli theory, the strain energy of the four-layer composite beam is derived. Strain energies before and after the propagation of the interfacial crack are calculated, which results in determining strain energy release rates. Analytical results for those rates are validated with the numerical data obtained by the finite element method. The effect of layer thickness of the composite beam on the interfacial fracture toughness is investigated through a parametric study.

В производственных условиях поверхности раздела в многослойных комбинированных структурах проявляют склонность к расслоению в результате комбинации действующих растягивающего усилия и усилия сдвига. Моделируется балка из четырехслойного комбинированного материала с центральной трещиной при четырехточечном изгибе с целью определения энергии разрушения на поверхности раздела многослойной структуры. Трещина развивается вдоль поверхности контакта между вторым и третьим слоями. Величину энергии деформации балки, полученную на основании теории Эйлера Бернулли, рассчитывали до и после распространения трещины по поверхности раздела, что позволило определять скорости выделения энергии деформации. Результаты анализа этих скоростей оценивали с помощью численных данных, полученных методом конечных элементов. Влияние толщины слоя комбинированного материала балки на вязкость разрушения по поверхности контакта изучали при параметрическом исследовании.