Riassunto analitico
La presente tesi ha l’obiettivo di validare una serie di test sperimentali eseguiti su provini intagliati multimateriale, mediante la realizzazione di appositi modelli FEM. A tal proposito, sono stati realizzati modelli FEM per replicare il comportamento evidenziato dai test di trazione uniassiale eseguiti in laboratorio dei diversi materiali utilizzati. Si distinguono due macro-famiglie di materiali, elasto-plastici ed iperelastici, ciascuna modellata in modo da ottenere in output la replica migliore della curva sforzo-deformazione ottenuta sperimentalmente.
L’interesse crescente per la manifattura additiva e i materiali stampati ha aperto nuove prospettive nello sviluppo e nell’applicazione dei Materiali a Gradiente Funzionale (FGM). Recenti studi hanno suggerito che, nel caso di una fessura o di una tacca a spigolo vivo soggetta a carico in piano (modo I e/o modo II), la singolarità dello stress possa essere eliminata attraverso una variazione graduale delle proprietà elastiche del materiale nei pressi della punta della tacca, seguendo una distribuzione di tipo legge di potenza, facendo variare quindi il modulo elastico in funzione della distanza dall’apice dell’intaglio elevata a potenza.
In tale contesto, l’ottimizzazione strutturale non dovrebbe mirare esclusivamente a ottenere una distribuzione uniforme delle tensioni, ma piuttosto a garantire una resistenza omogenea lungo il materiale. Tuttavia, poiché la resistenza del materiale segue tipicamente una relazione di potenza con il modulo elastico, la condizione di stress uniforme non rappresenta necessariamente la configurazione ottimale. Inoltre, una resistenza uniforme potrebbe risultare meno vantaggiosa rispetto a quella di un materiale omogeneo, poiché la presenza di zone a più basso modulo elastico, introdotte per ridurre la concentrazione di tensioni, può anche compromettere la resistenza globale del componente.
In questo lavoro, vengono presentati i risultati di una campagna sperimentale condotta su provini con intaglio a V, in cui l’esponente di gradazione è stato variato. Lo scopo della tesi è quello di replicare tali test sperimentali mediante simulazioni FEM, al fine di validare i risultati ottenuti, e verificare l’efficacia della tecnica di gradazione delle proprietà elastiche proposta, in termini di mitigazione della singolarità tensionale.
Il confronto tra i materiali omogenei e gli FGM evidenzia come la mitigazione della singolarità dello stress sia bilanciata dalla riduzione della resistenza dovuta all’impiego di materiali più duttili. Tuttavia, se quest’ultimo effetto viene adeguatamente compensato, si osserva un miglioramento rispetto ai campioni omogenei con intaglio a V.
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Abstract
This thesis aims to validate a series of experimental tests conducted on multimaterial notched specimens through the creation of specific FEM models. In this regard, FEM models have been developed to replicate the behavior observed in the uniaxial tensile tests conducted in the laboratory on the different materials used. Two main material families are distinguished: elastoplastic and hyperelastic, each modeled to achieve the best replica of the stress-strain curve of the various materials tested.
The growing interest in additive manufacturing and printed materials has opened new perspectives in the development and application of Functionally Graded Materials (FGM). Recent studies have suggested that, in the case of a crack or a sharp notch subject to in-plane loading (mode I and/or mode II), the stress singularity can be eliminated through a gradual variation of the material's elastic properties near the notch tip, following a power-law distribution, thus varying the elastic modulus as a function of the distance from the notch apex raised to a power.
In this context, structural optimization should not aim solely at achieving a uniform stress distribution, but rather at ensuring homogeneous resistance throughout the material. However, since the material's strength typically follows a power-law relationship with the elastic modulus, the uniform stress condition does not necessarily represent the optimal configuration. Furthermore, uniform strength may be less advantageous than that of a homogeneous material, as the presence of areas with a lower elastic modulus, introduced to reduce stress concentration, can also compromise the overall strength of the component.
This work presents the results of an experimental campaign conducted on V-notched specimens, in which the grading exponent was varied. The goal of the thesis is to replicate these experimental tests through FEM simulations, in order to validate the obtained results and verify the effectiveness of the proposed elastic property grading technique in terms of stress singularity mitigation.
The comparison between homogeneous materials and FGMs highlights how the mitigation of the stress singularity is balanced by the reduction in strength due to the use of more ductile materials. However, if this latter effect is adequately compensated, an improvement is observed compared to homogeneous samples with a V-notch.
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