Behavior of smart ballistic composite materials: Comparisons experimental results with numerical simulations

Abstract

The object of this paper is exploration of application of optical fibers as intensity-based sensors in real-time damage detection in laminate composite materials, and discussion of loading transfer mechanisms through thermoplastic composites. For experimental purposes, thermoplastic laminate composite materials aramid fiber/poly (vinyl butyral) with embedded optical fibers were made. Initiation of damage and fracture during testing was detected by observation of the intensity drop of the light signal transmitted through optical fiber. Manufactured composite specimens with embedded optical fibers were subjected to static loading indentation by the adapted tensile testing machine. Results of the experiments confirmed that optical fibers may be applied as intensity sensors in real-time monitoring of structural changes in thermoplastic laminar composite materials. Numeric simulation of material behavior under static loading was conducted, and initial fracture criteria were obtained. The finite element model was used to analyse deformation distribution through laminar composite plate, caused by indentation, and to simulate the contact problem - projectile/composite plate. The FEM analysis results of the considered composite plate have shown very good agreement with the experimental results.

Cilj ovoga rada je istraživanje mogućnosti primene optičkih vlakana kao intenzitetnih senzora za detekciju oštećenja slojevitih kompozitnih materijala u realnom vremenu, kao i objašnjenje mehanizama prenosa opterećenja kroz termoplastični kompozitni materijal. Za eksperimentalne potrebe su napravljeni termoplastični slojeviti kompozitni materijali sa ugrađenim optičkim vlaknima. Ispitivana je konfiguracija kontinualnim vlaknima ojačanih kompozita aramidno vlakno/poli (vinil-butiral). Indikacija oštećenja i lom laminata tokom ispitivanja su detektovani padom inteziteta svetlosnog signala propuštenog kroz optička vlakna. Napravljeni uzorci termoplastičnih slojevitih kompozitnih materijala su nakon ugrađivanja optičkih vlakana, izloženi statičkom opterećenju utiskivanjem na adaptiranoj kidalici. Eksperimenti su potvrdili opravdanost upotrebe optičkih vlakana kao senzora za detekciju oštećenja višeslojnih kompozitnih materijala u realnom vremenu.Takođe, urađena je i numerička simulacija ponašanja materijala pri statičkom opterećenju i određeni kriterijumi inicijalnog loma za određivanje trenutka kada dolazi do otkaza sloja u materijalu. Za analizu raspodele deformacija po debljini višeslojne kompozitne ploče, pod dejstvom utiskivača je korišćen metod konačnih elemenata (MKE). Primenom MKE je simuliran kontaktni problem projektil/kompozitna ploča. Rezulatati MKE analize razmatrane kompozitne ploče su pokazali odlično slaganje sa eksperimentom.