Riassunto analitico
Negli ultimi anni i sensori di deformazione piezoresistivi hanno raggiunto livelli di attenzione da parte dal mondo scientifico sempre maggiore, grazie alla loro varietà di applicazione che va dal monitoraggio strutturale fino ai “pneumatici intelligenti”. Per quest’ultima applicazione, in letteratura si trovano proposte di soluzioni sperimentali e di modellazioni numeriche che si propongono come scopo del sistema quello di avere un monitoraggio continuo dei parametri d’esercizio dello pneumatico stesso, quali pressione, carico normale ed impronta a terra. tra le possibili soluzioni è di particolare interesse l’integrazione nella struttura dello pneumatico di un sensore di deformazione integrato, costituito da una matrice polimerica rinforzata con nanotubi di carbonio. L’utilizzo di tali fibre garantisce al materiale composito, oltre che rigidezza/resistenza meccanica, proprietà di piezoresistività, ovvero la capacità di variare le proprietà di resistività e quindi resistenza a seguito di una deformazione imposta. In questo lavoro di tesi si è sviluppato una metodologia numerica capace di predire la risposta meccanica ed elettrica di un materiale composito di matrice epossidica con rinforzo in nanotubi di carbonio. Per il calcolo dei parametri rappresentativi del materiale, basandosi sulla teoria dell’omogeneizzazione, si è reso necessaria la costruzione di un volume rappresentativo del materiale (detto RVE). Per la generazione di tale RVE si è implementato un algoritmo per la generazione randomica di nanotubi di carbonio all’interno di un volume prestabilito, assicurando che allo stesso tempo tale volume sia rappresentativo della natura isotropa del materiale, imponendo condizioni di periodicità geometrica, e minimizzando le compenetrazioni dei nanotubi generati. Sono state condotte simulazioni per il calcolo dei parametri meccanici ed elettrici e per le analisi della variazione di quest’ultimi in funzione di una deformazione del materiale. I risultati così ottenuti hanno confermato l’isotropia del modello numerico generato, e confrontando tali dati con quelli presenti in letteratura, di natura sperimentale, sono risultati in buon accordo. Ad esempio, si è ottenuto un errore sul modulo di Young del 3.2%. La metodologia così sviluppata è in grado di predire con errori ridotti la risposta di tale materiale in campo meccanico ed elettrico. Tale metodologia, inoltre, può essere applicata in caso di diverse caratteristiche del materiale quali orientazione e dimensioni delle fibre, nonché ad altri materiali compositi con diverse matrici o fibre.
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Abstract
In recent years, the academic community has increased their interest in piezo-resistive strain-sensors. In fact, they can be used in structural health monitoring or integrated into “Intelligent Tyre”. The latter system means a tire equipped with a pre mounted sensor which continuously monitors the working parameter of the tire (e.g. forces between tire and the road, contact patch area, pressure) and transmits the information in real time. In literature are already present some system prototype. Most recent works apply a strain-sensor integrated into the tire and it is made by a Carbon-NanoTubes (CNT)-epoxy composite material. CNTs increase mechanical strength and allow the conductive and Piezoresistivity behaviour of the composite material.
In this thesis work, the aim was to develop a numerical methodology to predict mechanical and electrical material response. In accordance with literature and homogenization theory, a Representative Volume Element (RVE) has been created to predict the material mechanical and electrical parameters. The RVE has been developed using a mathematical algorithm which ensures isotropic behaviour, due to geometric periodic boundary conditions, and prevents adjacent CNTs penetration. Other simulations are carried out to analyse the sensor’s sensitivity. In practice how electrical parameters change depending on the applied strain state.
The results show that the method gives as output an isotropic material and material parameters with a good agreement with experimental data collected from the literature.
The developed methodology is able to predict the mechanical and electrical response of CNTs-epoxy material, but it can be also used for other composite materials with different matrices and fibers.
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