Fatigue in Composites

762 Pages·2003·11.871 MB·English

by  B. Harris

Fatigue in composites
Science and technology of the
fatigue response of fibre-reinforced plastics
Edited by
Bryan Harris
CRC Press
Boca Raton Boston New York Washington, DC
Cambridge England
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Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi
Contributor contact details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
Part I Introduction to fatigue in composites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1 A historical review of the fatigue behaviour of fibre-reinforced plastics. . . . . . 3
B. Harris, Materials Research Centre, University of Bath, UK
1.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Fatigue phenomena in fibre composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Concluding comments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2 Fatigue test methods, problems and standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
G. D. Sims, National Physical Laboratory, London, UK
2.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2 Fatigue data requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3 Fatigue testing requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4 Fatigue test equipment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5 Artefacts in fatigue testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6 Standardized test methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.7 Precision data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.8 Data presentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.9 Concluding comments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.10 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.11 Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.12 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3 Fatigue under multiaxial stress systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
M. M. Shokrieh, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran,
and L. B. Lessard, McGill University, Montreal, Canada
3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
vi Contents
3.2 Fatigue failure criteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3 Material properties degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4 Progressive fatigue damage modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.5 Material characterization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6 Experimental evaluation of the model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.7 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.8 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Part II Micromechanical aspects of fatigue in composites . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4 The effects of aggressive environments on long-term behaviour . . . . . . . . . . 117
F.R. Jones, University of Sheffield, UK
4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.2 Aqueous environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.3 Moisture sensitivity of resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.4 Thermal spiking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.5 Thermomechanical response of matrix resins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.6 Effect of moisture on composite performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.7 Fibre-dominated properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.8 Role of the matrix and interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.9 Environmental stress-corrosion cracking (ESCC) of GRP. . . . . . . . . . . . 137
4.10 Designing for stress-corrosion resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.11 Non-aqueous environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.12 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.13 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5 The effect of the interface on the fatigue performance of fibre
composites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
C. Galiotis and C. Koimtzoglou, Institute of Chemical Engineering and High
Temperature Processes, Foundation for Research and Technology, Greece
and Materials Department, University of Patras, Greece
5.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.2 Effect of interface parameters on fatigue performance. . . . . . . . . . . . . . . 147
5.3 Effect of other parameters that indirectly affect the interface on fatigue
performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.4 Effect of fatigue loading on interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.5 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.6 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6 Delamination fatigue. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
R. Martin, Materials Engineering Research Laboratory, UK
6.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.2 The interlaminar fracture mechanics approach for fatigue. . . . . . . . . . . . 175
6.3 Characterizing delamination in fatigue. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.4 Modelling a delamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.5 Using fracture mechanics analysis as a design tool . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.6 Structural integrity prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.7 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Contents vii
7 The fatigue of hybrid composites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
G. F. Fernando, Cranfield University, UK and F. A. A. Al-Khodairi, Saudi
Basic Industries Corporation, Saudi Arabia
7.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.2 Comparison of fatigue data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.3 Materials and experimental procedures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.4 Results and discussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.5 Fractography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
7.6 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
7.7 Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
7.8 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
8 Non-destructive evaluation of damage accumulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
A.P. Mouritz, RMIT University, Australia
8.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8.2 Acoustic NDE techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
8.3 Acoustic emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
8.4 Radiography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
8.5 Thermographic NDE methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
8.6 Eddy currents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
8.7 Moiré interferometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
8.8 Summary and concluding remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
8.9 Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
8.10 Information sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
8.11 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Part III Fatigue in different types of composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
9 Short-fibre thermoset composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
G. Caprino, University of Naples “Federico II”, Italy
9.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
9.2 Structure and composition of short-fibre thermoset composites. . . . . . . . 270
9.3 Static behaviour. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
9.4 Fatigue behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
9.5 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
9.6 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
10 Woven-fibre thermoset composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
N. K. Naik, Indian Institute of Technology, Bombay, India
10.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.2 Fatigue performance of laminated composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
10.3 Woven-fabric laminated composites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
10.4 Fatigue testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
10.5 Fatigue damage in woven-fabric composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
10.6 Fatigue loading: stiffness, strength and life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
10.7 Recent studies of the fatigue behaviour of WF composites . . . . . . . . . . . 310
10.8 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
10.9 Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
10.10 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
viii Contents
11 Fatigue of thermoplastic composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
E.K. Gamstedt and L.A. Berglund, KTH, Sweden
11.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
11.2 Thermoplastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
11.3 Continuous-fibre composites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
11.4 Short-fibre composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
11.5 Future of thermoplastic composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
11.6 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
12 Fatigue of wood and wood panel products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
M.P. Ansell, University of Bath, UK
12.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
12.2 The structure and properties of wood and timber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
12.3 Fatigue life of wood and panel products. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
12.4 Dynamic property changes in fatigue of wood and panel products . . . . . 349
12.5 Fatigue damage development in wood and panel products . . . . . . . . . . . 356
12.6 Fatigue in timber joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
12.7 Fatigue of natural fibre composites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
12.8 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
12.9 Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
12.10 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
Part IV Life-prediction methods for constant stress and variable stress. . . . . . 363
13 Physical modelling of damage development in structural composite
materials under stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
P.W.R. Beaumont, Cambridge University, UK
13.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
13.2 A framework for understanding damage development. . . . . . . . . . . . . . . 365
13.3 A question of design route . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
13.4 A question of physical modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
13.5 A question of fatigue. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
13.6 Physical modelling of fatigue damage development. . . . . . . . . . . . . . . . . 376
13.7 Physical modelling of fatigue damage development at stress
concentrators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
13.8 Computer implementation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
13.9 Summary and final remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
13.10 Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
13.11 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
14 Micromechanical models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
K. Reifsnider and S. Case, Virginia Tech, USA
14.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
14.2 Damage accumulation in composite materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
14.3 Changes in stiffness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
14.4 Changes in local material strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
14.5 Strength: an internal state variable and damage metric. . . . . . . . . . . . . . . 419
14.6 Strength of a composite material: ‘Critical element’ concepts . . . . . . . . . 419
Contents ix
14.7 Non-uniform stress states: characteristic material dimensions . . . . . . . . . 421
14.8 Strength evolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
14.9 Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
14.10 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
14.11 Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
14.12 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
15 A computational meso-damage model for life prediction for laminates . . . . 432
P. Ladevèze and G. Lubineau, LMT Cachan, France
15.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
15.2 The damage scenarios on the micro structural scale (Fig. 15.1). . . . . . . . 432
15.3 The 3D damage model for laminates according to scenarios 3 and 4. . . . 433
15.4 The ‘micro’ modelling of laminate composite for scenarios 1 and 2 . . . . 434
15.5 Mesomodel of the laminated composite (Fig. 15.4) . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
15.6 Comparison with experiments for [0/90 ] 437
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
n m s
15.7 Perspectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
15.8 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
16 A statistical study of the fatigue performance of fibre-reinforced
composite laminates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
X. Diao, PreciCad Inc., Canada, L. Ye and Y-W. Mai, University of Sydney,
Australia
16.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
16.2 Fatigue and methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
16.3 Statistical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
16.4 Stress redistribution function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
16.5 Evaluation of fatigue performance of composite laminates . . . . . . . . . . . 453
16.6 Concluding remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
16.7 Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
16.8 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
17 Analysis of matrix crack-induced delamination in composite laminates
under static and fatigue loading. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
M. Kashtalyan, University of Aberdeen and C. Soutis, University of
Sheffield, UK
17.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
17.2 Stiffness properties of cracked laminates with delaminations . . . . . . . . . 471
17.3 Delamination onset and growth prediction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
17.4 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
17.5 Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
17.6 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
17.7 Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
18 Fatigue strength of composites under variable plane stress . . . . . . . . . . . . . . 504
T.P. Philippidis and A.P. Vassilopoulos, University of Patras, Greece
18.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
18.2 Life prediction under combined stress: theoretical considerations. . . . . . 505
18.3 Experimental and property evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
x Contents
18.4 Verification of life prediction methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
18.5 Structural application example: Inboard part of a rotor blade . . . . . . . . . 520
18.6 Concluding remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
18.7 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
19 Life prediction under service loading spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
L.J. Lee and K.E. Fu, National Cheng Kung University, Taiwan
19.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
19.2 Stiffness degradation under block-type loading spectrum . . . . . . . . . . . . 528
19.3 Statistical distribution of fatigue life. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
19.4 Experimental program. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
19.5 Experimental verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
19.6 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
19.7 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
20 A parametric constant-life model for prediction of the fatigue lives
of fibre-reinforced plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
B. Harris, University of Bath, UK
20.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
20.2 The nature of fatigue processes in composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
20.3 Cracks in composites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
20.4 Life prediction: the alternatives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
20.5 A parametric constant-life model for life prediction. . . . . . . . . . . . . . . . . 550
20.6 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
20.7 Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
20.8 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
21 A neural-network approach to fatigue-life prediction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
J.A. Lee and D.P. Almond, University of Bath, UK
21.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
21.2 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
21.3 Biological neural networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
21.4 Multi-variate non-linear mappings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
21.5 Artificial neural network models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
21.6 The use of artificial neural networks in practice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577
21.7 Application of artificial neural networks to the analysis of fatigue
life data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
21.8 Optimum artificial neural network architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
21.9 Selection of inputs for training the artificial neural network . . . . . . . . . . 580
21.10 Constant stress amplitude fatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
21.11 New material application. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
21.12 Block-loading data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
21.13 Suggested procedure for applying neural networks to fatigue life data . . 583
21.14 Comparison with other methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585
21.15 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
21.16 Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
21.17 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
Contents xi
Part V Fatigue in practical situations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
22 The fatigue performance of composite structural components . . . . . . . . . . . 593
M.D. Gilchrist, University College Dublin, Ireland
22.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
22.2 General approach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
22.3 Damage growth and life prediction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
22.4 An approach to full-scale testing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598
22.5 Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
22.6 Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
22.7 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616
22.8 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616
22.9 Appendix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
22.10 Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620
23 Fatigue of joints in composite structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621
J. Schön and R. Starikov, Swedish Defence Research Agency, Sweden
23.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621
23.2 Composite joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621
23.3 Fatigue in adhesive joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625
23.4 Fatigue in bolted joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633
23.5 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639
23.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 640
23.7 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
24 Fatigue in filament-wound structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644
D. Perreux and F. Thiébaud, Laboratoire de Mécanique Appliquée RC,
France
24.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644
24.2 Brief overview of literature on pipe behaviour. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645
24.3 Breadboard fixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646
24.4 Fatigue behaviour of bi-directional [+55/–55] glass-fibre/epoxy-matrix
filament-wound pipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648
24.5 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
24.6 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
25 Fatigue of FRP composites in civil engineering applications . . . . . . . . . . . . . 658
J.M.C. Cadei, FaberMaunsell Ltd, UK
25.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658
25.2 Composite material applications in civil engineering. . . . . . . . . . . . . . . . 658
25.3 Typical fatigue loadings in civil engineering structures. . . . . . . . . . . . . . 667
25.4 Fatigue behaviour of composite structures and components . . . . . . . . . . 671
25.5 Design and analysis of structures for fatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677
25.6 Case study: FRP road deck fatigue performance (TRL test programme on
ACCS Roadway Panel). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679
25.7 Operational aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684
25.8 Concluding remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685
xii Contents
25.9 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685
26 Fatigue in aerospace applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686
A.J. Davies, QinetiQ, UK and P.T. Curtis, Dstl, UK
26.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686
26.2 Overview of fatigue performance of aerospace materials. . . . . . . . . . . . . 688
26.3 Fatigue life prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692
26.4 Damage mechanisms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695
26.5 Airframe structural elements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698
26.6 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706
26.8 Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707
26.9 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707
27 Fatigue and durability of marine composites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709
P. Davies and D. Choqueuse, IFREMER, Centre de Brest, France and A. Roy,
CRITT Matériaux, Rochefort, France
27.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709
27.2 Specific nature of the marine environment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711
27.3 Marine composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715
27.4 Durability of marine laminates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717
27.5 Durability of sandwich materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719
27.6 Assemblies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720
27.7 Slamming impact response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722
27.8 Cylinders for underwater applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724
27.9 Future directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727
27.10 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730