Riassunto analitico
La progettazione di componenti meccanici sempre più leggeri ma strutturalmente performanti rappresenta uno dei principali vincoli ed obiettivi in settori quali l'ambito aerospaziale, automobilistico o navale. Negli ultimi anni, per soddisfare tale esigenza, la ricerca nell'ambito dei materiali compositi è cresciuta rapidamente, questi materiali rappresentano infatti una preziosa alternativa a materiali tradizionali quali i metalli.
Nel presente lavoro di tesi, sono stati presi in considerazione tre casi studio che coinvolgono l'impiego di materiali compositi a matrice polimerica con rinforzo a fibra lunga. La realizzazione e l'applicazione di questa classe di materiali non convenzionali, nasce dall'esigenza di garantire un buon rendimento in termini di peso, rigidezza e resistenza del componente finale.
Il primo caso in oggetto, mostra lo studio svolto per la verifica di fattibilità della camicia di un cilindro oleodinamico a doppio effetto che lavora ad alte pressioni, realizzata in materiale composito. La sostituzione dell'acciaio ha richiesto la messa a punto e l'ingegnerizzazione del materiale composito stesso, a partire dalla selezione delle sua fasi costituenti e del processo tecnologico ottimale per la realizzazione di alcuni cilindri prototipali. Modelli FEM volti alla valutazione della criticità a buckling del cilindro, analisi modale e della deformazione delle guarnizioni così come la progettazione di nuove giunzioni incollate tra la camicia e le testate del cilindro sono state inoltre condotte. Le proprietà di rigidezza e di resistenza di questo tessuto composito in fibra di carbonio nonchè dei prototipi sono state determinate e validate sperimentalmente.
Il secondo caso analizzato, riguarda la realizzazione di un modello agli Elementi Finiti per un'imbarcazione da canottaggio da competizione e la relativa correlazione numerica con dati sperimentali. La laminazione dell'imbarcazione coinvolge diverse tipologie di materiali quali compositi in fibra di carbonio, di vetro, Kevlar e honeycomb. A partire dai risultati ottenuti sul modello di riferimento, sono state quindi condotte ulteriori analisi di ottimizzazione volte alla ricerca della sequenza di laminazione ottimale per imbarcazione. Un'ampliamento del panorama dei materiali comunemente adottati nella struttura è stato preso in considerazione, al fine di minimazzare il peso dello scafo ma garantendo i target di rigidezza flessionale, torsionale eguali o superiori a quelli dell'imbarcazione di riferimento.
In conclusione, il terzo ed ultimo caso, si focalizza sulla messa a punto e sulle metodologie di validazione di un nuovo processo tecnologico prevalentemente automatico per la realizzazione di componenti in materiale composito sia a geometria prevalentemente piana, sia di profilati a sezione chiusa da applicare per componenti in grado di garantire prestazioni strutturali. Questa tecnologia, tuttora in fase di sviluppo, mira a semplificare la stesura delle pelli di carbonio ed inoltre a ridurre il tempo di cura del componente, garantendo una buona riproducibilità del processo nonostante gli elevati volumi produttivi.
Il presente lavoro di tesi quindi consente in parte di affrontare la complessità e la flessibilità intrinseca della progettazione di componenti realizzati in composito: partendo dal materiale, passando attraverso le metodologie di calcolo, sino alla sua realizzazione.
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Abstract
The interest of aerospace, automotive and, naval industries in exploring lightweight alternatives to metals is deepening. In fact, in recent years, the research on composite materials has grown quickly in view of weight reduction.
In the present thesis, three test cases concerning composite materials components are taken into consideration. Composite materials with polymeric matrix and long-fibers have been investigated. In fact, this class of nontraditional and innovative materials allows a good performance in terms of weight, stiffness and strength of the final component.
The first test case considered, shows the analysis performed to demonstrate the structural feasibility of a double-effect actuator cylinder tube in composite material. Metal is commonly used for the present component. Its replacement with composite material has implied the setup and the design of the material itself in terms of matrix-fibers selection, but also in terms of the cylinder tube manufacturing process. Buckling analysis, modal behavior of the cylinder and the deformation of its elastomeric seals are investigated by FEA. Finally, a new design of the joints between the composite cylinder and the steel heads has been proposed and assessed. The composite material properties and the cylinder prototypes are tested, therefore a validation of the numerical analysis has been done.
In the second test case, a racing rowing boat is investigated and its finite element model has been built in order to correlate the numerical simulations with the retrieved experimental data. Carbon fibre composites, Kevlar and, honeycomb are applied and stacked on the boats.
At the light of the boat reference model results, an optimization of the boat stacking sequence was numerically performed in order to identify new types of composite materials and their positioning on the structure. The goal of the optimization is to maximize the bending and torque stiffness of the reference boat, while minimizing its structural weight. The predictive capability of the new optimized boat model has been validated versus the experimental results.
The scope of the third and the last test case is to define and to develop a preliminary setup for a new manufacturing technique for composite material components. This technique allows components having both flat geometries, and hollow profiles with complex cross-sections to be manufactured. At this moment, this process is still under development. The technology aim is to assure reduced curing time per component and good structural properties, thus allowing high-volume production, and granting good repeatability of the process.
In conclusion, the red thread of the present work allows us to deal with both the intrinsic complexity and the versatility of this class of materials: starting from the material selection and characterization, going through the FE simulations and composite optimization, ending up to the manufacturing and technological issues.
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