Characterization and constitutive modeling of aramid fibers at high strain rates

Tan, V.B.C.; Zeng, Xuesen; Shim, V.P.W.

doi:10.1016/j.ijimpeng.2007.07.010

Cited by 94 publications

(61 citation statements)

References 19 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…In applications such as bullet-proof vests, bers are loaded at very high strain rates (10010,000 s −1 ), making the understanding of any strain rate dependent behavior crucial to constructing material models of ber behavior. The source of this ratedependent behavior is postulated to come from how primary and secondary bonds in the bers break as the ber is loaded, with dierent strain rates leading to dierent breaking mechanisms and thus dierent mechanical behavior [66,73]. However, it is interesting to note that several researchers [41,9] have not found signicant changes in modulus or other mechanical properties with strain rate.…”

mentioning

confidence: 99%

Molecular Dynamics Modeling of PPTA Crystals in Aramid Fibers

Mercer

2016

View full text Add to dashboard Cite

In this work, molecular dynamics modeling is used to study the mechanical properties of PPTA crystallites, which are the fundamental microstructural building blocks of polymer aramid bers such as Kevlar. Particular focus is given to constant strain rate axial loading simulations of PPTA crystallites, which is motivated by the rate-dependent mechanical properties observed in some experiments with aramid bers. In order to accommodate the covalent bond rupture that occurs in loading a crystallite to failure, the reactive bond order force eld ReaxFF is employed to conduct the simulations.Two major topics are addressed: The rst is the general behavior of PPTA crystallites under strain rate loading. Constant strain rate loading simulations of crystalline PPTA reveal that the crystal failure strain increases with increasing strain rate, while the modulus is not aected by the strain rate. Increasing temperature lowers both the modulus and the failure strain. The simulations also identify the CN bond connecting the aromatic rings as weakest primary bond along the backbone of the PPTA chain. The eect of chain-end defects on PPTA micromechanics is explored, and it is found that the presence of a chain-end defect transfers load to the adjacent chains in the hydrogen-bonded sheet in which the defect resides, but does not inuence the behavior of any other chains in the crystal. Chain-end defects are found to lower the strength of the crystal when clustered together, inducing bond failure via stress concentrations arising from the load transfer to bonds in adjacent chains near the defect site. The second topic addressed is the nature of primary and secondary bond failure in crystalline PPTA. Failure of both types of bonds is found to be stochastic in nature and driven by thermal uctuations of the bonds within the crystal. A model is proposed which uses reliability theory to model bonds under constant strain rate loading as components with time-dependent failure rate functions. The model is shown to work well for predicting the onset of primary backbone bond failure, as well as the onset of secondary bond failure via chain slippage for the case of isolated non-interacting chain-end defects.

show abstract

mentioning

confidence: 99%

Molecular Dynamics Modeling of PPTA Crystals in Aramid Fibers

Mercer

2016

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…An aramid yarn's modulus of elasticity was equal to 130 GPa [32]. A failure stress was increased to 4,5 GPa (on ~30% more than the static value [32]) because in paper [40] it was shown that fibres strength increased at high strain rates.…”

Section: Materials Models and Contactsmentioning

confidence: 99%

Yarn-Level Modelling of Woven and Unidirectional Thermoplastic Composite Materials Under Ballistic Impact

Kudryavtsev¹,

Сапожников²

2016

PNRPU MB

View full text Add to dashboard Cite

Кудрявцев О.А., Сапожников С.Б. Моделирование на уровне нитей тканых и однонаправленных композитных материалов с термопластичной матрицей при баллистическом нагружении // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2016Механика. - . -№ 3. -С. 108-119. DOI: 10.15593/perm.mech/2016 Композиты с термопластичной матрицей на основе высокопрочных волокон (ара-мидных или СВМПЭ) широко используются при производстве различных защитных структур (бронежилеты, шлемы, бронепанели), которые могут подвергаться высокоско-ростному ударному воздействию. В настоящее время с целью снижения времени и стоимости разработки новых конструкций, повышения их надежности широко исполь-зуются возможности численного моделирования процессов деформирования и разру-шения волокнистых композитных материалов при баллистическом нагружении. Можно выделить несколько основных подходов к моделированию композитного материала. Самым распространенным является подход, в котором композит рассматривается как однородный ортотропный материала. Его несомненным достоинством является высо-кая скорость решения задачи. В то же время он не позволяет описать все особенности разрушения волокнистых композитов, например расслоение и вытягивание волокон. Возросшая за последние несколько лет вычислительная мощность компьютеров, а также повышение доступности суперкомпьютерных вычислений сделали возможным активную разработку и внедрение многоуровневых и мезоуровневых моделей компо-зитных материалов, непосредственно учитывающих их неоднородную структуру на уровне волокон и матрицы. Применение подобного подхода позволяет использовать более простые модели материалов с меньшим числом параметров.В данной работе мезо-уровневое моделирование в конечно-элементном пакете LS-DYNA было использовано для описания деформирования и разрушения двух прессованных композитов с термопластичной матрицей при баллистическом ударе имитатором осколка. Первый тип композитной панели был изготовлен из арамидной ткани полотняного переплетения КВ110П с прослойками из полиэтилена низкого давления (ПЭНД). Композитная панель второго типа состояла из материала на осно-ве высокопрочных полиэтиленовых волокон Dyneema ® HB80. Для описания поведе-ния данных панелей при ударе были предложены комбинированные конечно-элементные модели, в которых волокна были схематизированы оболочечными эле-ментами, а матрица -твердотельными. Полученные модели позволили получить удовлетворительное соответствие экспериментальным данным, включая остаточную скорость ударника и основные механизмы разрушения (разрыв волокон, расслоение, вытягивание волокон и т.д.). Представленные модели могут быть использованы для детализированных расчетов керамокомпозитных слоистых структур при ударе. © ПНИПУКлючевые слова: композит, термопластичная матрица, защитная структура, высокоскоростной удар, конечно-элементный анализ, LS-DYNA, малопараметрическая модель, баллистический предел © Кудрявцев Олег Александрович -аспирант, e-mail: kudriavtcevoa@susu.ru Сапожников Сергей Борисович -доктор технических на...

show abstract

“…There are some other methods using different gripping mechanisms were reported in the literature. For example, PET textile cable was secured by a progressive binding on the grips in dynamic tensile tests [12]; a capstan method which grips the yarn by winding it's ends around circular pins was used in quasi-static tensile tests of Twaron ® single yarn [13]. The compression strength of UHMWPE fibres is only around 1% of the tensile strength along the fibre axis [1].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

“…Several potential methods were experimented with. Tan et al [13] improved the direct clamping device designed by Shim et al [5]; the Twaron ® fibres were sandwiched between two layers of pliable urethane foam in order to protect the fibres from large clamping forces and increase the contact area, and then clamped by a pair of flat grips. Kim et al [10,15] developed a method of direct gripping on single PPTA fibre utilising two poly methyl methacrylate (PMMA) blocks, and the clamping force of the blocks was controlled by a spring.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%