Riassunto analitico
Il seguente progetto di tesi presenta lo studio sul comportamento a fatica di materiali compositi, con particolare riferimento a laminati unidirezionali in fibra di carbonio e matrice termoindurente. Esso risulta dall’esperienza di tirocinio maturata in sei mesi di collaborazione con il Lab. MilleChili del Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari” di Modena.
Una ricerca bibliografica è stata eseguita al fine di familiarizzare con il tema in oggetto, rappresentante oggigiorno un argomento di ricerca che è fonte di un numero significativo e sempre crescente di contributi. Questi contributi mirano a caratterizzare il danneggiamento progressivo per fatica tipico dei materiali compositi, così come è stato rilevato principalmente dall’evidenza sperimentale, e poi mimato attraverso metodi numerici e analitici. Questi approcci di modellazione, se comparati ai test sperimentali, evidenziano errori molto significativi, e.g. mediamente tra il 50% ed il 75%.
Lo studio della letteratura di tale tematica ha permesso di comprendere i principali fenomeni fisici che si instaurano nel materiale e che provocano un decadimento delle sue proprietà. Tra i meccanismi fisici di danneggiamento si enumerano: 1) cedimento della matrice, 2) distacco fibra-matrice, 3) sfilamento delle fibre dalla matrice, 4) delaminazione e 5) rottura delle fibre. Dallo studio di questi fenomeni derivano innumerevoli modelli matematici per la stima della vita a fatica 1) mediante la costruzione di curve ingegneristiche di tipo tensione-numerosità dei cicli (curve S-N) e 2) i diagrammi a vita costante (CLDs). Inoltre, sono stati proposti modelli per la stima del progressivo danneggiamento del materiale con conseguente deterioramento delle proprietà di rigidezza e resistenza dello stesso.
Per questa classe di materiali, l’analisi delle normative attualmente disponibili per la caratterizzazione sperimentale in condizioni di carico affaticante ha evidenziato come sia disponibile un ridotto e poco recente numero di standard (4 norme in totale, con riferimento alla normativa americana e giapponese). Per tali ragioni, in letteratura sono state proposte nuove procedure e nuovi strumenti di acquisizione, pensati ad hoc per la specificità della problematica analizzata. Tra di essi sono degni di nota il set-up a shaker (vibrante) ed il set-up tradizionale a tre punti con supporti rotanti, entrambi per prove a flessione.
Il presente lavoro di tesi implementa la procedura iterativa proposta da Sendeckyj, tipicamente utilizzata per la generazione delle curve S-N mediante l’interpolazione di dati sperimentali ricavati da prove di laboratorio. Una validazione del modello è stata realizzata grazie alla scrittura di un codice Matlab dedicato, il quale, a partire da un set di dati ottenuti da letteratura (cioè i valori della vita a fatica del materiale in funzione della tensione), ha permesso di ricostruire la curva sopracitata per un generico laminato sollecitato a trazione.
È stata analizzata l’influenza della temperatura sul decadimento delle proprietà di rigidezza e resistenza di tali materiali, effetto strettamente legato alla frequenza di applicazione del carico ciclico affaticante, nonché al fenomeno di isteresi che caratterizza lo smorzamento viscoso tipico dei materiali polimerici (i.e. matrici epossidiche).
I modelli numerici condotti agli elementi finiti sono stati impostati entro la suite Hyperworks Altair e sono stati risolti impiegando il solutore implicito OptiStruct.
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