Damage assessment under repeated slamming and creep of foam core sandwich composites

Abstract

Sandwich composites are increasingly being used in the ship hull design due mainly to (i) their high strength to weight ratio, and (ii) the ability to functionally grade them for a broad range of commercial and naval applications. Sandwich composite are composed of widely differing constituent materials that can lead to substantial instabilities along the interfaces when subject to external loading and/or environmental effects. However, due to the layered nature of the material, damage in sandwich composites generally remains hidden along the interfaces and thus out of sight until reaching catastrophic dimensions – which make damage detection a very challenging task. Ship hulls routinely undergo a wide range of loading conditions that can compromise their safe operational life. With the main objective of understanding damage progression mechanisms, this thesis takes two of the most detrimental but least understood loading scenarios relevant to service life of the ship hull, namely, repeated slamming and cyclic creep in seawater of foam core sandwich composites. A test program designed and carried out to mimic the repeated slamming of the bow section of fast moving small vessel on the ocean surface provided some unique observations in terms of failure mode transition and associated changes in the lifetime. Testing was performed on flat rectangular specimens that contained symmetric semi-elliptical edge flaws produced near the end of the specimen held by the rotating cam. Damage progression and modes of failure were evaluated for two types of sandwich composites with comparable global strength and stiffness but different foam density and facesheet strength. In-spite of comparable mechanical properties, lifetime of Type 2 specimens was found to be over two orders of magnitude greater than Type 1 specimens – indicating that the lifetime is highly dependent upon the constituent materials. Type 1 specimens (softer core/stronger facesheet) consistently failed by interface and through the thickness core shear, independent of the flaw size. On the other hand, a gradual decrease in the flaw size (i.e., decreasing stress intensity) in Type 2 specimens (denser core/weaker facesheet) produced a striking transition in the mode of failure, from local buckling in the vicinity of the flaw site along with exponentially increasing lifetime, to interface shear failure at the free end accompanied by a dramatic drop in lifetime. These results are quite unique as a decrease in stress intensity is expected to lead to increasing lifetime and not to a decrease as currently observed. This curious phenomenon is attributed to a complex transition in the mode of failure from local buckling to interface delamination as a function of flaw site stress intensity. Foam core sandwich composites were also subjected to creep to failure and cyclic creep in seawater which has never been reported in the literature. The instantaneous and secondary responses varied dramatically depending on the environment and loading type. Compared with creep to failure tests performed in air, about 15% higher deflection and over 50% reduction in lifetime was witnessed in specimens subjected to seawater, which is quite a dramatic loss of life especially in light of the a maximum of 2.3% water gain observed. However, seawater with high salt content has the propensity to breakdown the cell walls due to plasticization and thus deteriorates the interfaces. Cyclic creep was performed in order to mimic an actual ship hull service lifetime scenario whereby cargo and passengers are loaded for extended periods of time and subsequently unloaded. The specimens were loaded for 24 hours while the unloading times varied from 24 to 6 hours. Significantly reduced life and extensive damage were observed under cyclic creep as compared with creep to failure specimens. Counter intuitively, lifetime and number of cycles to failure were found to decrease as a function of increasing unloading periods, which is explained in terms of stress relaxation and cyclic behavior of the sandwich composite. Modes of failure were predominantly indentation and core compression.

Los materiales compuestos tipo sándwich se utilizan cada vez en el diseño del casco de embarcaciones debido principalmente a (i) su alta relación de fortaleza a peso, y (ii) la capacidad de funcionamiento para una amplia gama de aplicaciones comerciales y navales. El compuesto sándwich se compone de materiales con propiedades diferentes que pueden conducir a inestabilidades sustanciales a lo largo de las interfaces cuando se somete a carga externa y / o el medio ambiente. Sin embargo, es debido a su constitución de laminado que el daño en materiales compuestos se mantiene oculto a lo largo de las interfaces, por lo tanto fuera de la vista hasta llegar a dimensiones catastróficas. Más aun la coraza de los barcos se somete rutinariamente a una amplia gama de condiciones de carga que pueden comprometer su vida útil. Con el objetivo de entender los mecanismos de la progresión del daño, esta tesis tiene dos de los escenarios más perjudiciales y más relevantes para la vida útil de la coraza de un barco. Esto es el impacto repetitivo de las olas acompañado de pruebas de fluencia a un esfuerzo constante. Un programa de prueba diseñado y realizado para imitar el impacto repetitivo de las olas a la coraza del barco el repetido proporciona observaciones únicas en términos de transición de modo de falla y los cambios asociados a la vida útil. Las pruebas se realizaron en muestras rectangulares planas que contenían defectos de borde semi-elípticos y simétricos producidos en la base del espécimen que estaba sujetado a un eje de rotación. La progresión del daño y los modos de fallo fueron evaluados para dos tipos de materiales compuestos tipo sándwich con propiedades de fortaleza y rigidez similares pero con diferente densidad de la espuma y grosor de las caras del compuesto. Se encontró que a pesar de las propiedades mecánicas similares, el espécimen del Tipo 2 Tipo (más denso núcleo / cara más débil) demostro tener una vida útil de más de dos órdenes de magnitud en relación al Tipo 1(más suave núcleo / cara más fuerte), indicando que el tiempo de vida es altamente dependiente de los materiales constituyentes. Los especímenes Tipo 1 (más suave núcleo / cara más fuerte) fallaron consistentemente por la interfaz, independiente del tamaño del defecto. Por otro lado, una disminución gradual en el tamaño del defecto (es decir, la disminución de intensidad de tensiones) en muestras Tipo 2 (más denso núcleo / cara más débil) produce una transición notable en el modo de fallo, de pandeo local en la vecindad del sitio del defecto a una delaminación en el extremo libre alejado del defecto, acompañado de un aumento exponencial de su vida útil solo en el punto de transición, ya que al pasar ese punto hay una baja notable en la vida útil. Estos resultados son bastante únicos ya que se espera una disminución de la intensidad de tensiones para llevar a incrementar el tiempo de vida y no a una disminución como se observa actualmente. Este curioso fenómeno se atribuye a una transición compleja en el modo de fallo de pandeo local a una de delaminación en la interfaz como una función de defecto de intensidad de tensiones sitio. El compuesto sándwich de núcleo espuma también fue sometido a esfuerzo fijo hasta la ruptura así como a esfuerzo fijo con lapsos alternados con descanso en agua de mar con el fin de imitar el escenario que presenta el casco del barco en su vida útil, todo esto nunca antes reportado en literatura. . Las respuestas instantáneas y secundarias varían dramáticamente dependiendo del entorno y de tipo carga. Al compara las pruebas de esfuerzo fijo hasta la ruptura realizadas en el aire, la desviación es aproximadamente 15% mayor la deflexión y más del 50% en cuanto a la reducción en el tiempo de vida, de lo que se observó en muestras sometidas a agua de mar. Tomando en consideración que el máximo de ganancia de masa de agua fue de un 2.3% notamos que el agua de mar con alto contenido de sal tiene la propensión a la ruptura de las paredes celulares, debido a la plastificación y por lo tanto se deteriora las interfaces. En la prueba de esfuerzo fijo con lapsos alternados con descanso, los especímenes fueron cargados durante 24 horas mientras que los tiempos de descarga variaron de 24 a 6 horas. Un considerable daño y una significativa disminución de la vida útil del espécimen fue observado en las pruebas con lapsos de descanso alternado, esto es si lo comparamos con los de esfuerzo fijo hasta la ruptura. Curiosamente, la vida y el número de ciclos hasta la ruptura se vio disminuida al aumentar los períodos de descarga. Los modos de falla fueron predominantemente de indentación y la compresión del núcleo.