Multiscale modeling of short fiber-reinforced thermoplastics under fatigue loading

Questa tesi di dottorato di ricerca si inserisce all’interno di un quadro più ampio relativo alla previsione del comportamento meccanico di materie termoplastiche rinforzate con fibre corte di vetro. Tali materiali compositi sono spesso impiegati nell’industria automobilistica per ridurre il peso complessivo della componentistica coinvolta. L’obbiettivo principale di questo lavoro è legato alla necessità di sviluppare criteri di cedimento che prevedano l’influenza di diversi fattori sulla resistenza a fatica di tali materiali. In particolar modo, si è scelto di focalizzarsi sull’effetto della morfologia (orientazione locale e contenuto di fibre) e della presenza di intagli, che a loro volta danno luogo a concentrazioni tensionali. In questa tesi viene presentata innanzitutto l’attività sperimentale svolta. Ovvero si riportano dati relativi ad analisi ottenute tramite tomografia computerizzata (CT). Quest’ultima ha il ruolo di fornire informazioni sulle distribuzioni locali dell’orientazione delle fibre, le quali vengono quantificate tramite il tensore di orientazione delle fibre (FOT). Inoltre, si presentano dati relativi al comportamento a fatica di provini con e senza intagli (di raggio pari a 0.1 mm, 0.2 mm, 2 mm e 5 mm), considerando contemporaneamente l’effetto dell’orientazione delle fibre e delle loro frazioni di peso (15 wt%, 25 wt%, 35 wt% e 50 wt%). In secondo luogo, consapevoli del fatto che l’origine di cricche macroscopiche può essere imputata all’evoluzione del danneggiamento nella matrice, si propone un modello multiscala per la previsione della vita a fatica di tali compositi, basandosi sul calcolo delle distribuzioni tensionali locali. Il calcolo delle funzioni cumulate delle tensioni matriciali è ottenuto tramite la formulazione di un approccio analitico-numerico di tipo pseudo-grain (i). Quest’ultimo permette quindi di evitare la generazione, mesh e risoluzione di microstrutture complesse e di ottenere i risultati desiderati tramite semplici modelli numerici unidirezionali. Tale approccio viene poi inserito nella formulazione di un criterio di fatica per provini lisci (ii) e intagliati (iii). Il criterio proposto è poi validato con un numero consistente di dati sperimentali, parte dei quali è presentata in questo lavoro. In particolare, i tensori di orientazione delle fibre sono impiegati per assegnare le proprietà elastiche anisotrope ai modelli numerici. I dati di fatica sono invece utilizzati per verificare l’efficacia del modello in termini di previsione della resistenza a fatica di provini lisci e intagliati.