Riassunto analitico
Per la progettazione di componenti in materiali compositi applicati a fini strutturali, nasce l’esigenza di poter studiare e prevedere la risposta meccanica di tali materiali ai carichi esterni a cui vengono sollecitati. Vista la complessità del problema, alle soluzioni analitiche (e.g. teoria delle piastre alla Kirchhoff con estensione ai materiali ortotropi) si prediligono modelli numerici realizzati mediante la tecnica degli elementi finiti. Infatti, i modelli a elementi finiti riescono a rappresentare sia la complessità geometrica che la multiassialità dei carichi applicati.
La caratterizzazione numerica di materiali compositi svolge un ruolo fondamentale nella fase di progettazione di parti meccaniche, poiché, la definizione del legame tra tensioni e deformazioni, le proprietà di rigidezza ed a rottura del materiale, sono vitali al fine di migliorare l’accuratezza delle simulazione ad elementi finiti. La definizione di leggi materiale accurate e che rispettino il comportamento fisico del materiale è quindi il punto di partenza per una buona correlazione tra i risultati numerici ed i dati ottenuti sperimentalmente. Il presente lavoro di tesi, ha il principale scopo di valutare e riprodurre la risposta di tali materiali sottoposti a prova ad impatto. I materiali compositi oggetto di questo studio sono:
1) matrice in resina epossidica e fibre lunghe di carbonio disposte in tessuto unidirezionale;
2) matrice epossidica e fibre corte di carbonio disposte random.
All’inizio del lavoro è stata condotta una completa campagna sperimentale, in accordo alle normative ASTM. Sono stati valutati i comportamenti in trazione, compressione, taglio nel piano della singola lamina e di taglio interlaminare. Le proprietà di assorbimento energetico dovuto all’urto e la risposta in campo non-lineare, sono state esaminate mediante test ad impatto.
In seguito, i dati estrapolati dai test sono stati utilizzati per compilare le card material dei due materiali, usando una formulazione per materiali ortotropi tipo piastra, con caratteristiche elasto-plastiche, detta formulazione Crash Survivability (CRASURV). La fase di danneggiamento progressivo del materiale è stata calibrata sulla base del test ad impatto.
La correlazione tra il modello agli elementi finiti e i test sperimentali rientra nella tolleranza di errore relativo del 10%, come da comune prassi ingegneristica.
|
Abstract
During the design of components manufactured via composite materials, the predictivity of the mechanical response of these materials to the external loads represents a demanding research topic for the engineers. Due to the complexity of the problem, numerical solutions (i.e. Finite Element – FE techniques) are preferred to analytical solutions (e.g. Kirchhoff plate theory). In fact, FE models can include both the component shape complexity and its multi-axial loading conditions.
The numerical characterization of composite materials plays a vital role on the mechanical parts design; in fact, the relation between the stress-strain law, the material stiffness and the damage occurrence are mandatory for the response of the final component and the FE simulations. Therefore, the definition of an accurate material law that mimics the physical behaviour of the material is the starting point for a good correlation by numerical models of the experimental counterpart. In the present thesis, numerical studies are performed and assessed to reproduce the response due to low-velocity impact on these material. The composite materials considered hereinafter are:
1) a unidirectional Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) laminate;
2) a short and randomly distributed carbon fibre laminate manufactured by Sheet Moulding Compound (SMC).
At first stage, a wide experimental campaign is performed according to the ASTM standard methods; where tension, compression, in plane and interlaminar shear properties of the materials are collected. Their crashworthiness and no-linear properties are detected using the low velocity impact test according with ASTM D7136.
During the second stage, the data previously collected during the experimental tests have been employed for the definition of the material properties within the Finite Element (FE) forecasts. In fact, an equivalent elastico-plastic material law assessed for orthotropic shells that considers the Crash Survivability (CRASURV) non-linear failure has been tuned for both materials. Finally, the comparison between numerical and experimental data exhibits a good correlation, in fact the, maximum error is lower than 10 per cent.
|
