Towards Sustainable Composite Structures: Experimental Characterisation and Damage Modelling of Unidirectional Flax Fibre-Reinforced Polymers

Abstract

The increasing demand for sustainable engineering solutions has driven extensive research into natural fibre-reinforced composites (NFCs), notably flax fibre-reinforced polymers (FFRPs), which offer promising eco-friendly alternatives to synthetic composites. This study presents a comprehensive application of continuum damage mechanics (CDM) methodology to unidirectional (UD) FFRPs, addressing critical gaps in predictive modelling of progressive intralaminar damage for sustainable structural applications. A systematic experimental characterisation protocol was developed to identify material parameters that account for the inherent variability and complex nonlinear behaviour of natural fibres. The CDM model was calibrated using comprehensive quasi-static testing on multiple laminate configurations and validated through finite element analysis (FEA) in Siemens Simcenter Samcef. The model accurately captures the nonlinear behaviour and damage mechanisms of notched flax–epoxy laminates, achieving prediction accuracies of 97.61% and 88.98% for the force-displacement response in open-hole tensile (OHT) validation tests. Integrating experimental characterisation with FEA enables robust virtual prototyping of sustainable composite structures, supporting design optimisation and lifecycle assessment. This research establishes validated damage modelling methodologies for eco-friendly NFC, facilitating accelerated adoption in automotive, marine, and construction sectors.

Rostoucí poptávka po udržitelných inženýrských řešeních vedla k rozsáhlému výzkumu kompozitů vyztužených přírodními vlákny (NFC), zejména polymerů vyztužených lněnými vlákny (FFRP), které nabízejí slibné ekologické alternativy k syntetickým kompozitům. Tato studie představuje komplexní aplikaci metodologie mechaniky kontinuálního poškození (CDM) na jednosměrné (UD) FFRP a řeší kritické mezery v prediktivním modelování progresivního intralaminárního poškození pro udržitelné konstrukční aplikace. Byl vyvinut systematický protokol experimentální charakterizace pro identifikaci materiálových parametrů, které zohledňují inherentní variabilitu a komplexní nelineární chování přírodních vláken. Model CDM byl kalibrován pomocí komplexního kvazistatického testování na více konfiguracích laminátů a validován pomocí analýzy konečných prvků (FEA) v softwaru Siemens Simcenter Samcef. Model přesně zachycuje nelineární chování a mechanismy poškození vrubovaných laminátů z lněné epoxidové směsi a dosahuje přesnosti predikce 97,61 % a 88,98 % pro odezvu síla-posuv ve validačních zkouškách vzorků s průchozím otvorem (OHT). Integrace experimentální charakterizace s metodou konečných prvků (FEA) umožňuje robustní virtuální prototypování udržitelných kompozitních struktur, což podporuje optimalizaci návrhu a posouzení životního cyklu. Tento výzkum zavádí validované metodiky modelování poškození pro ekologicky šetrné NFC, což usnadňuje jejich urychlené zavedení v automobilovém, námořním a stavebním sektoru.