Dissertation/ Thesis
Numerical modelling of the fatigue behaviour of composites. Application to the automotive industry
| Title: | Numerical modelling of the fatigue behaviour of composites. Application to the automotive industry |
|---|---|
| Authors: | Alcayde Romo, Bárbara |
| Contributors: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Civil i Ambiental |
| Thesis Advisors: | Barbu, Lucia Gratiela, Cornejo Velázquez, Alejandro |
| Source: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Publisher Information: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Publication Year: | 2026 |
| Physical Description: | 147 p. |
| Subject Terms: | Composite materials, Fibre reinforced polymers, High cycle fatigue, Finite element method, Serial-Parallel Rule of Mixtures, Fatigue constitutive law, Thermomechanical coupling, Temperature effects, Calibration methodology, Advance in time strategy, Carbon fibre reinforced polymers, Glass fibre reinforced polymers, Numerical modelling, Structural durability, Automotive applications, Computational efficiency, Material characterization, Simulation validation, Sustainability, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria mecànica, 624 - Enginyeria civil i de la construcció en general, 629 - Enginyeria dels vehicles de transport, 621 - Enginyeria mecànica en general. Tecnologia nuclear. Electrotècnia. Maquinària |
| Description: | (English) In an engineering landscape increasingly focused on optimized design, lightweight materials, and multifunctional performance, accurately predicting the fatigue behaviour of composite materials under realistic service conditions is essential. Traditional approaches to fatigue analysis in Fibre Reinforced Polymers (FRP) often rely on simplified extrapolations of laboratory data or homogenized models that neglect the complex interactions between constituent materials and environmental influences. Moreover, these approaches typically fail to account for temperature variations. Such reductionist perspectives limit the ability to capture the coupled mechanical and thermal degradation mechanisms inherent to advanced materials. This thesis proposes a unified numerical framework grounded in the Finite Element Method (FEM), integrating a phenomenological homogenization strategy, the Serial Parallel Rule of Mixtures Law (SP-RoM), with a High Cycle Fatigue (HCF) Constituive Law (CL). This approach enables the simultaneous representation of the distinct fatigue responses of fibres and matrix within layered composite laminates, accounting for variations in stacking sequence and fibre orientation. A key innovation is a calibration methodology that infers fatigue parameters at constituent level from experimental data at laminate scale, thus overcoming the challenges of direct testing of individual components. Furthermore, the work presents a thermomechanically coupled fatigue model incorporating temperature dependent material properties and thermal expansion, generalizing classical fatigue life prediction curves to fluctuating and spatially varying temperature fields. To address the significant computational demands of fatigue simulations, an Advance in Time Strategy (AITS) Cycle Jump (CJ) is developed, enabling efficient simulation of long-term fatigue damage evolution without sacrificing accuracy. Validated against experimental benchmarks and literature data, the proposed methodology advances fatigue life prediction in composite materials by delivering a flexible, robust, and computationally efficient tool. Additionally, the fatigue formulation has been enhanced to capture complex thermomechanical effects. This work lays the foundation for future research on integrated modelling of fatigue and multiphysics deterioration phenomena in advanced composite structures. |
| Description (Translated): | (Català) En un escenari en què l’enginyeria s’orienta cada vegada més cap al disseny optimitzat, l’ús de materials lleugers i el rendiment multifuncional, la predicció precisa del comportament a fatiga dels materials compostos sota condicions de servei realistes resulta essencial. Els plantejaments tradicionals per a l’anàlisi de la fatiga en polímers reforçats amb fibra (FRP) sovint es basen en extrapolacions simplificades de dades de laboratori o en models homogeneïtzats que no consideren les interaccions complexes entre els materials constituents i els efectes de l'entorn. A més, aquests plantejaments generalment no contemplen les variacions de temperatura. Aquesta visió simplificada limita la capacitat de capturar els mecanismes acoblats de degradació mecànica i tèrmica inherents als materials avançats. La present tesi proposa un marc numèric unificat basat en el Mètode dels Elements Finits (FE), que integra una estratègia fenomenològica d’homogeneïtzació, la Teoria de Mescles Sèrie-Paral·lel (SP-RoM), amb una nova Llei Constitutiva (CL) per a la Fatiga d’Alt Nombre de Cicles (HCF). Aquest enfocament permet la representació simultània de les respostes diferenciades a fatiga de les fibres i la matriu en laminats compostos amb apilaments estratificats, tot tenint en compte les variacions en la seqüència de capes i l’orientació de les fibres. Una innovació clau és una metodologia de calibratge que infereix els paràmetres de fatiga a nivell dels constituents a partir de dades experimentals a escala de laminat, superant així les dificultats associades a l’assaig directe dels components individuals. A més, es presenta un model de fatiga acoblat termomecànicament que incorpora propietats materials dependents de la temperatura i la dilatació tèrmica, generalitzant les corbes clàssiques de predicció de vida a fatiga per a camps de temperatura fluctuants i espacialment variables. Per afrontar l’elevada demanda computacional de les simulacions de fatiga, s’ha desenvolupat una estratègia d’avanç en el temps (AITS) amb salt de cicle (CJ), que permet una simulació eficient de l’evolució del dany a fatiga a llarg termini sense sacrificar la precisió. Validada amb referències experimentals i dades bibliogràfiques, la metodologia proposada suposa un avenç en la predicció de la vida a fatiga dels materials compostos, oferint una eina flexible, robusta i computacionalment eficient. Així mateix, la formulació de fatiga ha estat millorada per capturar efectes termomecànics complexos. Aquest treball estableix les bases per a futures investigacions sobre el modelatge integrat de la fatiga i els fenòmens de degradació multifísica en estructures compostes avançades. (Español) En un escenario en el que la ingeniería se orienta cada vez más hacia el diseño optimizado, el uso de materiales ligeros y el rendimiento multifuncional, la predicción precisa del comportamiento a fatiga de los materiales compuestos bajo condiciones de servicio realistas resulta esencial. Los enfoques tradicionales para el análisis de la fatiga en polímeros reforzados con fibra (FRP) suelen basarse en extrapolaciones simplificadas de datos de laboratorio o en modelos homogeneizados que no consideran las complejas interacciones entre los materiales constituyentes y las influencias del entorno. Además, estos enfoques generalmente no contemplan las variaciones de temperatura. Esta visión simplificada limita la capacidad de capturar los mecanismos acoplados de degradación mecánica y térmica inherentes a los materiales avanzados. La presente tesis propone un marco numérico unificado basado en el Método de los Elementos Finitos (FE), que integra una estrategia fenomenológica de homogeneización, la Teoría de Mezclas Serie-Paralelo (SP-RoM), con una novedosa Ley Constitutiva (CL) para Fatiga de Alto número de Ciclos (HCF). Este enfoque permite la representación simultánea de las respuestas diferenciadas a fatiga de las fibras y la matriz en laminados compuestos con apilamientos estratificados, teniendo en cuenta las variaciones en la secuencia de capas y la orientación de las fibras. Una innovación clave es una metodología de calibración que infiere los parámetros de fatiga a nivel de los constituyentes a partir de datos experimentales a escala de laminado, superando así las dificultades asociadas al ensayo directo de los componentes individuales. Además, se presenta un modelo de fatiga acoplado termomecánicamente que incorpora propiedades materiales dependientes de la temperatura y la dilatación térmica, generalizando las curvas clásicas de predicción de vida a fatiga para campos de temperatura fluctuantes y espacialmente variables. Para abordar la elevada demanda computacional de las simulaciones de fatiga, se ha desarrollado una estrategia de avance en el tiempo (AITS) con salto de ciclo (CJ), que permite una simulación eficiente de la evolución del daño a fatiga a largo plazo sin sacrificar la precisión. Validada frente a referencias experimentales y datos bibliográficos, la metodología propuesta supone un avance en la predicción de la vida a fatiga de materiales compuestos, ofreciendo una herramienta flexible, robusta y computacionalmente eficiente. Asimismo, la formulación de fatiga ha sido mejorada para capturar efectos termomecánicos complejos. Este trabajo sienta las bases para futuras investigaciones sobre el modelado integrado de fatiga y fenómenos de degradación multifísica en estructuras compuestas avanzadas. DOCTORAT EN ANÀLISI ESTRUCTURAL (Pla 2013) |
| Document Type: | Dissertation/Thesis |
| File Description: | application/pdf |
| Language: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-457413 |
| Access URL: | https://hdl.handle.net/10803/696978 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-457413 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| Accession Number: | edstdx.10803.696978 |
| Database: | TDX |
| FullText | Text: Availability: 0 CustomLinks: – Url: https://hdl.handle.net/10803/696978# Name: EDS - TDX (ns324271) Category: fullText Text: View record in TDX |
|---|---|
| Header | DbId: edstdx DbLabel: TDX An: edstdx.10803.696978 RelevancyScore: 1447 AccessLevel: 3 PubType: Dissertation/ Thesis PubTypeId: dissertation PreciseRelevancyScore: 1446.93041992188 |
| IllustrationInfo | |
| Items | – Name: Title Label: Title Group: Ti Data: Numerical modelling of the fatigue behaviour of composites. Application to the automotive industry – Name: Author Label: Authors Group: Au Data: <searchLink fieldCode="AR" term="%22Alcayde+Romo%2C+Bárbara%22">Alcayde Romo, Bárbara</searchLink> – Name: Author Label: Contributors Group: Au Data: University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Civil i Ambiental – Name: Author Label: Thesis Advisors Group: Au Data: Barbu, Lucia Gratiela<br />Cornejo Velázquez, Alejandro – Name: TitleSource Label: Source Group: Src Data: TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) – Name: Publisher Label: Publisher Information Group: PubInfo Data: Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. – Name: DatePubCY Label: Publication Year Group: Date Data: 2026 – Name: PhysDesc Label: Physical Description Group: PhysDesc Data: 147 p. – Name: Subject Label: Subject Terms Group: Su Data: <searchLink fieldCode="DE" term="%22Composite+materials%22">Composite materials</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Fibre+reinforced+polymers%22">Fibre reinforced polymers</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22High+cycle+fatigue%22">High cycle fatigue</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Finite+element+method%22">Finite element method</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Serial-Parallel+Rule+of+Mixtures%22">Serial-Parallel Rule of Mixtures</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Fatigue+constitutive+law%22">Fatigue constitutive law</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Thermomechanical+coupling%22">Thermomechanical coupling</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Temperature+effects%22">Temperature effects</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Calibration+methodology%22">Calibration methodology</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Advance+in+time+strategy%22">Advance in time strategy</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Carbon+fibre+reinforced+polymers%22">Carbon fibre reinforced polymers</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Glass+fibre+reinforced+polymers%22">Glass fibre reinforced polymers</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Numerical+modelling%22">Numerical modelling</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Structural+durability%22">Structural durability</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Automotive+applications%22">Automotive applications</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Computational+efficiency%22">Computational efficiency</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Material+characterization%22">Material characterization</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Simulation+validation%22">Simulation validation</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Sustainability%22">Sustainability</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Àrees+temàtiques+de+la+UPC%3A%3AEnginyeria+civil%22">Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22Àrees+temàtiques+de+la+UPC%3A%3AEnginyeria+mecànica%22">Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria mecànica</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22624+-+Enginyeria+civil+i+de+la+construcció+en+general%22">624 - Enginyeria civil i de la construcció en general</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22629+-+Enginyeria+dels+vehicles+de+transport%22">629 - Enginyeria dels vehicles de transport</searchLink><br /><searchLink fieldCode="DE" term="%22621+-+Enginyeria+mecànica+en+general%2E+Tecnologia+nuclear%2E+Electrotècnia%2E+Maquinària%22">621 - Enginyeria mecànica en general. Tecnologia nuclear. Electrotècnia. Maquinària</searchLink> – Name: Abstract Label: Description Group: Ab Data: (English) In an engineering landscape increasingly focused on optimized design, lightweight materials, and multifunctional performance, accurately predicting the fatigue behaviour of composite materials under realistic service conditions is essential. Traditional approaches to fatigue analysis in Fibre Reinforced Polymers (FRP) often rely on simplified extrapolations of laboratory data or homogenized models that neglect the complex interactions between constituent materials and environmental influences. Moreover, these approaches typically fail to account for temperature variations. Such reductionist perspectives limit the ability to capture the coupled mechanical and thermal degradation mechanisms inherent to advanced materials. This thesis proposes a unified numerical framework grounded in the Finite Element Method (FEM), integrating a phenomenological homogenization strategy, the Serial Parallel Rule of Mixtures Law (SP-RoM), with a High Cycle Fatigue (HCF) Constituive Law (CL). This approach enables the simultaneous representation of the distinct fatigue responses of fibres and matrix within layered composite laminates, accounting for variations in stacking sequence and fibre orientation. A key innovation is a calibration methodology that infers fatigue parameters at constituent level from experimental data at laminate scale, thus overcoming the challenges of direct testing of individual components. Furthermore, the work presents a thermomechanically coupled fatigue model incorporating temperature dependent material properties and thermal expansion, generalizing classical fatigue life prediction curves to fluctuating and spatially varying temperature fields. To address the significant computational demands of fatigue simulations, an Advance in Time Strategy (AITS) Cycle Jump (CJ) is developed, enabling efficient simulation of long-term fatigue damage evolution without sacrificing accuracy. Validated against experimental benchmarks and literature data, the proposed methodology advances fatigue life prediction in composite materials by delivering a flexible, robust, and computationally efficient tool. Additionally, the fatigue formulation has been enhanced to capture complex thermomechanical effects. This work lays the foundation for future research on integrated modelling of fatigue and multiphysics deterioration phenomena in advanced composite structures. – Name: Abstract Label: Description (Translated) Group: Ab Data: (Català) En un escenari en què l’enginyeria s’orienta cada vegada més cap al disseny optimitzat, l’ús de materials lleugers i el rendiment multifuncional, la predicció precisa del comportament a fatiga dels materials compostos sota condicions de servei realistes resulta essencial. Els plantejaments tradicionals per a l’anàlisi de la fatiga en polímers reforçats amb fibra (FRP) sovint es basen en extrapolacions simplificades de dades de laboratori o en models homogeneïtzats que no consideren les interaccions complexes entre els materials constituents i els efectes de l'entorn. A més, aquests plantejaments generalment no contemplen les variacions de temperatura. Aquesta visió simplificada limita la capacitat de capturar els mecanismes acoblats de degradació mecànica i tèrmica inherents als materials avançats. La present tesi proposa un marc numèric unificat basat en el Mètode dels Elements Finits (FE), que integra una estratègia fenomenològica d’homogeneïtzació, la Teoria de Mescles Sèrie-Paral·lel (SP-RoM), amb una nova Llei Constitutiva (CL) per a la Fatiga d’Alt Nombre de Cicles (HCF). Aquest enfocament permet la representació simultània de les respostes diferenciades a fatiga de les fibres i la matriu en laminats compostos amb apilaments estratificats, tot tenint en compte les variacions en la seqüència de capes i l’orientació de les fibres. Una innovació clau és una metodologia de calibratge que infereix els paràmetres de fatiga a nivell dels constituents a partir de dades experimentals a escala de laminat, superant així les dificultats associades a l’assaig directe dels components individuals. A més, es presenta un model de fatiga acoblat termomecànicament que incorpora propietats materials dependents de la temperatura i la dilatació tèrmica, generalitzant les corbes clàssiques de predicció de vida a fatiga per a camps de temperatura fluctuants i espacialment variables. Per afrontar l’elevada demanda computacional de les simulacions de fatiga, s’ha desenvolupat una estratègia d’avanç en el temps (AITS) amb salt de cicle (CJ), que permet una simulació eficient de l’evolució del dany a fatiga a llarg termini sense sacrificar la precisió. Validada amb referències experimentals i dades bibliogràfiques, la metodologia proposada suposa un avenç en la predicció de la vida a fatiga dels materials compostos, oferint una eina flexible, robusta i computacionalment eficient. Així mateix, la formulació de fatiga ha estat millorada per capturar efectes termomecànics complexos. Aquest treball estableix les bases per a futures investigacions sobre el modelatge integrat de la fatiga i els fenòmens de degradació multifísica en estructures compostes avançades.<br />(Español) En un escenario en el que la ingeniería se orienta cada vez más hacia el diseño optimizado, el uso de materiales ligeros y el rendimiento multifuncional, la predicción precisa del comportamiento a fatiga de los materiales compuestos bajo condiciones de servicio realistas resulta esencial. Los enfoques tradicionales para el análisis de la fatiga en polímeros reforzados con fibra (FRP) suelen basarse en extrapolaciones simplificadas de datos de laboratorio o en modelos homogeneizados que no consideran las complejas interacciones entre los materiales constituyentes y las influencias del entorno. Además, estos enfoques generalmente no contemplan las variaciones de temperatura. Esta visión simplificada limita la capacidad de capturar los mecanismos acoplados de degradación mecánica y térmica inherentes a los materiales avanzados. La presente tesis propone un marco numérico unificado basado en el Método de los Elementos Finitos (FE), que integra una estrategia fenomenológica de homogeneización, la Teoría de Mezclas Serie-Paralelo (SP-RoM), con una novedosa Ley Constitutiva (CL) para Fatiga de Alto número de Ciclos (HCF). Este enfoque permite la representación simultánea de las respuestas diferenciadas a fatiga de las fibras y la matriz en laminados compuestos con apilamientos estratificados, teniendo en cuenta las variaciones en la secuencia de capas y la orientación de las fibras. Una innovación clave es una metodología de calibración que infiere los parámetros de fatiga a nivel de los constituyentes a partir de datos experimentales a escala de laminado, superando así las dificultades asociadas al ensayo directo de los componentes individuales. Además, se presenta un modelo de fatiga acoplado termomecánicamente que incorpora propiedades materiales dependientes de la temperatura y la dilatación térmica, generalizando las curvas clásicas de predicción de vida a fatiga para campos de temperatura fluctuantes y espacialmente variables. Para abordar la elevada demanda computacional de las simulaciones de fatiga, se ha desarrollado una estrategia de avance en el tiempo (AITS) con salto de ciclo (CJ), que permite una simulación eficiente de la evolución del daño a fatiga a largo plazo sin sacrificar la precisión. Validada frente a referencias experimentales y datos bibliográficos, la metodología propuesta supone un avance en la predicción de la vida a fatiga de materiales compuestos, ofreciendo una herramienta flexible, robusta y computacionalmente eficiente. Asimismo, la formulación de fatiga ha sido mejorada para capturar efectos termomecánicos complejos. Este trabajo sienta las bases para futuras investigaciones sobre el modelado integrado de fatiga y fenómenos de degradación multifísica en estructuras compuestas avanzadas.<br />DOCTORAT EN ANÀLISI ESTRUCTURAL (Pla 2013) – Name: TypeDocument Label: Document Type Group: TypDoc Data: Dissertation/Thesis – Name: Format Label: File Description Group: SrcInfo Data: application/pdf – Name: Language Label: Language Group: Lang Data: English – Name: DOI Label: DOI Group: ID Data: 10.5821/dissertation-2117-457413 – Name: URL Label: Access URL Group: URL Data: <link linkTarget="URL" linkTerm="https://hdl.handle.net/10803/696978" linkWindow="_blank">https://hdl.handle.net/10803/696978</link><br /><link linkTarget="URL" linkTerm="https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-457413" linkWindow="_blank">https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-457413</link> – Name: Copyright Label: Rights Group: Cpyrght Data: L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ – Name: AN Label: Accession Number Group: ID Data: edstdx.10803.696978 |
| PLink | https://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edstdx&AN=edstdx.10803.696978 |
| RecordInfo | BibRecord: BibEntity: Identifiers: – Type: doi Value: 10.5821/dissertation-2117-457413 Languages: – Text: English PhysicalDescription: Pagination: PageCount: 147 Subjects: – SubjectFull: Composite materials Type: general – SubjectFull: Fibre reinforced polymers Type: general – SubjectFull: High cycle fatigue Type: general – SubjectFull: Finite element method Type: general – SubjectFull: Serial-Parallel Rule of Mixtures Type: general – SubjectFull: Fatigue constitutive law Type: general – SubjectFull: Thermomechanical coupling Type: general – SubjectFull: Temperature effects Type: general – SubjectFull: Calibration methodology Type: general – SubjectFull: Advance in time strategy Type: general – SubjectFull: Carbon fibre reinforced polymers Type: general – SubjectFull: Glass fibre reinforced polymers Type: general – SubjectFull: Numerical modelling Type: general – SubjectFull: Structural durability Type: general – SubjectFull: Automotive applications Type: general – SubjectFull: Computational efficiency Type: general – SubjectFull: Material characterization Type: general – SubjectFull: Simulation validation Type: general – SubjectFull: Sustainability Type: general – SubjectFull: Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil Type: general – SubjectFull: Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria mecànica Type: general – SubjectFull: 624 - Enginyeria civil i de la construcció en general Type: general – SubjectFull: 629 - Enginyeria dels vehicles de transport Type: general – SubjectFull: 621 - Enginyeria mecànica en general. Tecnologia nuclear. Electrotècnia. Maquinària Type: general Titles: – TitleFull: Numerical modelling of the fatigue behaviour of composites. Application to the automotive industry Type: main BibRelationships: HasContributorRelationships: – PersonEntity: Name: NameFull: Alcayde Romo, Bárbara IsPartOfRelationships: – BibEntity: Dates: – D: 06 M: 03 Type: published Y: 2026 |
| ResultId | 1 |