Riassunto analitico
I materiali compositi offrono nuove possibilità in termini di performance dei componenti; il loro impiego è ormai consolidato in quasi tutti i settori industriali.
In particolare, nel settore automotive è evidente la tendenza a sostituire parti abitualmente progettate in metallo con componenti in materiale composito al fine di ridurne il peso ed incrementarne le prestazioni.
Tra i vari materiali disponibili sul mercato, quelli maggiormente adatti per ottenere elevati valori di rigidezza e resistenza sono i materiali compositi a matrice polimerica rinforzata con fibra lunga di carbonio.
La progettazione di componenti in materiale composito è un processo particolarmente complesso, in quanto lo stesso materiale è oggetto di molteplici scelte progettuali.
Al fine di ottenere effettivi incrementi prestazionali risulta infatti necessario ottimizzare la scelta dei materiali per fibra e matrice, la tipologia di tessuto, l'orientamento e la stratificazione delle lamine.
Il consueto approccio basato su iterazioni trial and error indirizzate dall'esperienza del progettista non sempre consente il raggiungimento dell’ottimo prestazionale in tempi brevi; in questi casi si rende necessario il ricorso a metodi automatici di ottimizzazione.
In questo lavoro di tesi viene esaminato un approccio complementare a quello tradizionale che sfrutta le potenzialità offerte dall’ottimizzazione strutturale FEM applicate ai materiali compositi.
L’obiettivo di questa tesi è definire una metodologia di progettazione standardizzata e facilmente applicabile a livello industriale, dove i tempi ideazione, progettazione e produzione sono sempre più stringenti.
Tale metodologia è soprattutto mirata al raggiungimento dell’ottimo prestazionale sin dalle sue prime fasi.
Vengono esaminate e confrontate entrambe le metodologie e viene quindi illustrato il processo di progettazione mediante ottimizzazione, utilizzando l’esempio applicativo di un cofano in fibra di carbonio.
Dei diversi metodi di ottimizzazione disponibili, alcuni saranno direttamente applicati alla progettazione di componenti in materiale composito mentre altri verranno concettualmente adattati.
Inoltre sono state analizzate le fasi del processo di sviluppo nelle quali risulta più opportuno procedere allo studio di eventuali fenomeni non lineari; tali verifiche sono infatti particolarmente dispendiose e possono richiedere una revisione del progetto. In particolare è presentato un caso test relativo alla progettazione di un’ala aerodinamica.
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Abstract
Composite materials grant us novel possibilities in terms of component performance, hence they are nowadays widely employed in the most of the industrial fields.
In particular, the automotive industry tends to replace metal components with their composite material counterpart to reduce weight and increase performance.
Amongst the commercially available materials, carbon long fiber reinforced plastics are the most suitable for reaching structural stiffness and strength targets.
The design of composite material parts is a particularly complex task since the material itself introduces a wide set of design choices.
In order to obtain any noteworthy gain in performance, the optimal combination of fiber and matrix material, fabric properties, ply orientation and stacking sequence has to be defined.
The usual methodology based on trial and error iterations directed by the designer experience and know-how may reveal itself slow in reaching an optimal design; being this the case, it is necessary to resort to computationally assisted optimization methods.
This thesis examines a design approach complementary to the traditional procedure that takes advantage of the structural FEM optimization techniques, applied to composite materials.
The purpose of this thesis is to define a standardized design methodology tailored to be straightforwardly applied to the industrial practice, where the timing is increasingly stringent.
In particular, such methodology strives for achieving the optimal performance since its initial steps.
Both the methodologies are illustrated and compared, then the focus moves to the new design through optimization procedure, which is presented in detail with reference to the actual test case of a carbon fiber bonnet.
Amongst the available optimization methods, some of them may be directly applied to the task of designing composite material parts, whilst others require a conceptual adaptation.
In practical applications, specific nonlinear analyses are required for component dimensioning and validation. Due to the time consuming nature of this activity, and the chance that a re-design may be required, the most appropriate timing for the inclusion of this validation stage has to be determined. The test case of the design flow for a carbon fiber wing is presented.
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