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Experimental and Analytical Stress and Strain Characterization of Notched Composite Plates

Aouni Jr. Lakis

Master's thesis (2020)

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The purpose of this work is to characterize the stress distribution, stress concentration factors and the hole deformation of open- and filled-hole (OHT and FHT) cross-ply (CP) and quasi-isotropic (QI) composite plates subjected to uniaxial in-plane loading. Plates of varying thicknesses containing a centrally-located circular through-hole are studied. The stress distribution of notched composite plates is calculated and analyzed experimentally using digital image correlation (DIC) strains combined with laminate theory. For validation, the experimental stress distribution results are compared with those of Lekhnitskii's analytical model for anisotropic materials. The material- dependent characteristic dimensions, predicted strength and stress concentration factors (SCF) are calculated using the point stress criterion (PSC) and the average stress criterion (ASC). In addition, the experimental stress concentration factors for cross-ply and quasi-isotropic laminates are compared to results from analytical solutions based on the PSC and ASC. Notch deformation in both the longitudinal and transversal direction is measured using DIC strains obtained using virtual extensometers. Thinner OHT CP laminates were found to be better at distributing stress away from the notch than thicker CP laminates; whereas, thicker OHT QI laminates are better at distributing stress than thinner QI laminates. Filling the notch with a tightened bolt was observed to bring the stress distribution capabilities of CP and QI laminates in line with one other; the presence of the bolt nullifies any effect that a layup or laminate thickness may have on stress distribution. The PSC provides a very good approximation of SCFs for all laminates investigated. Using the ASC to analyze CP laminates induces errors greater than 10% for OHT and 18% for FHT. However, the ASC estimates the SCFs of QI laminates just as well as the PSC. The PSC overestimates and the ASC underestimates the SCF values when compared to experimental results. The longitudinal hole elongation (LHE) of CP layups is greater than that of QI layups and the transversal hole compression (THC) is less in CP than QI. In other words, a cross-ply notch elongates more and compresses less than a quasi-isotropic notch. This phenomenon may be explained by the fact that the inclusion of 450 plies in a quasi-isotropic layup induces a butterfly distribution of peak strains around the notch area, which contributes more to the transversal compression of the notch than its longitudinal elongation when compared to a cross-ply layup.


Cette recherche a pour but de caractériser la distribution des contraintes, les facteurs d'intensité de contraintes (SCF) et la déformation des trous des échantillons testés selon la norme ASTM D5766 (Open-Hole Tension : OHT) et la norme ASTM D6742 (Filled-Hole Tension : FHT). Les stratifiés composites étaient fabriqués par le procédé d'infusion de résine. Ils étaient composés de tissus carbone taffetas 3K dans une matrice époxy. L'étude englobe l'effet de la séquence d'empilement quasi-isotrope (QI) et croisés (CP) et l'effet de l'épaisseur (8 plis et 12 plis). La distribution des contraintes sur la surface des échantillons de composites est calculée expérimentalement en utilisant les déformations provenant de la corrélation digitale des images (DIC) combinées avec la théorie des stratifiées. Les dimensions caractéristiques des matériaux, l'estimation de la résistance à la traction et les facteurs de contraintes sont calculés en utilisant les critères de Whitney and Nuismer PSC (Point Stress Criterion) et ASC (Average Stress Criterion). Les distributions des contraintes expérimentales sont validées en utilisant le model analytique de Lekhnitskii pour les matériaux anisotropes. En plus, les facteurs des concentrations des contraintes expérimentales pour CP et QI sont comparés avec ceux calculés par le PSC et ASC. La déformation des trous est analysée dans la direction longitudinale et transversale par le DIC en utilisant des extensomètres virtuels. Les OHT CP qui sont plus minces ont une meilleure capacité de distribution des contraintes que ceux des CP plus épaisses. L'inverse est vrai pour les stratifiées QI. Ceux qui sont plus épaisses ont une meilleure capacité de distribution des contraintes que les plus minces. Quand le trou est fermé par un boulon, la capacité de distribution des contraintes pour CP et QI devient approximativement égale, ce que veut dire que l'introduction d'un boulon annule les effets que le type des stratifiées ont sur la distribution des contraintes. Le PSC donne une très bonne approximation du SCF pour toutes les stratifiées analysées. Le ASC donne des erreurs de 10% pour le OHT et 18% pour le FHT dans les CP, mais l'estimation de SCF du QI avec le ASC est aussi bonne que le PSC. Le PSC surestimes et le ASC sous-estimes le SCF quand ils sont comparés aux résultats expérimentaux. La déformation longitudinale du trou (LHE) pour le CP est plus grande que celle du QI et la déformation en compression transversale (THC) est plus petite pour le CP que le QI. Ceci veut dire que le trou de CP s'allonge plus mais il se comprime moins qu'un trou dans une stratifiée QI.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Rachid Boukhili
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/5577/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 05 May 2021 10:21
Last Modified: 22 Apr 2023 05:48
Cite in APA 7: Lakis, A. J. (2020). Experimental and Analytical Stress and Strain Characterization of Notched Composite Plates [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/5577/


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