Metodologia di progettazione di componenti in materiale composito CFRP mediante tecniche di ottimizzazione strutturale

I materiali compositi offrono nuove possibilità in termini di performance dei componenti; il loro impiego è ormai consolidato in quasi tutti i settori industriali. In particolare, nel settore automotive è evidente la tendenza a sostituire parti abitualmente progettate in metallo con componenti in materiale composito al fine di ridurne il peso ed incrementarne le prestazioni. Tra i vari materiali disponibili sul mercato, quelli maggiormente adatti per ottenere elevati valori di rigidezza e resistenza sono i materiali compositi a matrice polimerica rinforzata con fibra lunga di carbonio. La progettazione di componenti in materiale composito è un processo particolarmente complesso, in quanto lo stesso materiale è oggetto di molteplici scelte progettuali. Al fine di ottenere effettivi incrementi prestazionali risulta infatti necessario ottimizzare la scelta dei materiali per fibra e matrice, la tipologia di tessuto, l'orientamento e la stratificazione delle lamine. Il consueto approccio basato su iterazioni trial and error indirizzate dall'esperienza del progettista non sempre consente il raggiungimento dell’ottimo prestazionale in tempi brevi; in questi casi si rende necessario il ricorso a metodi automatici di ottimizzazione. In questo lavoro di tesi viene esaminato un approccio complementare a quello tradizionale che sfrutta le potenzialità offerte dall’ottimizzazione strutturale FEM applicate ai materiali compositi. L’obiettivo di questa tesi è definire una metodologia di progettazione standardizzata e facilmente applicabile a livello industriale, dove i tempi ideazione, progettazione e produzione sono sempre più stringenti. Tale metodologia è soprattutto mirata al raggiungimento dell’ottimo prestazionale sin dalle sue prime fasi. Vengono esaminate e confrontate entrambe le metodologie e viene quindi illustrato il processo di progettazione mediante ottimizzazione, utilizzando l’esempio applicativo di un cofano in fibra di carbonio. Dei diversi metodi di ottimizzazione disponibili, alcuni saranno direttamente applicati alla progettazione di componenti in materiale composito mentre altri verranno concettualmente adattati. Inoltre sono state analizzate le fasi del processo di sviluppo nelle quali risulta più opportuno procedere allo studio di eventuali fenomeni non lineari; tali verifiche sono infatti particolarmente dispendiose e possono richiedere una revisione del progetto. In particolare è presentato un caso test relativo alla progettazione di un’ala aerodinamica.