Towards the development of design tools for fatigue life assessment of composite structures

Il problema delle delaminazioni formatesi durante le condizioni di servizio, è uno dei fattori che maggiormente limitano l’utilizzo di materiali compositi nelle applicazioni strutturali. La formazione delle delaminazioni è causata principalmente dalle elevate tensioni interlaminari che si sviluppano in corrispondenza di discontinuità geometriche o dei materiali. Inoltre, queste possono essere indotte anche dalla presenza di altri meccanismi di danneggiamento, come la formazione di cricche. Obiettivo di questa tesi è studiare le relazioni esistenti tra i diversi meccanismi di danneggiamento che si manifestano nei laminati compositi, ponendo particolare attenzione alla formazione e allo sviluppo delle delaminazioni. Il problema dell’innesco delle delaminazioni, indotte dalla formazione delle cricche trasversali nei laminati cross-ply soggetti a trazione, è presentato nel capitolo 2. Dapprima viene ricavata una soluzione analitica per descrivere i campi di tensione associati ai modi I, II e III di deformazione, espressi in funzione dei fattori di intensificazione di tensione. La soluzione trovata quindi è stata elaborata e generalizzata, al fine di poter essere applicata a laminati caratterizzati da una orientazione generica (capitolo 3). I capitoli successivi sono invece dedicati allo studio dell’evoluzione delle delaminazioni in laminati soggetti a fatica. In particolare, i risultati dei test sperimentali condotti su laminati cross-ply sono presentati nel capitolo 4. L’evoluzione dell’area di delaminazione è stata caratterizzata mediante apposite analisi numeriche; il tasso di rilascio dell’energia di deformazione (ERR) è stato calcolato con l’utilizzo della tecnica di chiusura virtuale (VCCT) e i valori sono stati correlati alla velocità di propagazione della cricca mediante curva di Paris (Capitolo 5). Un modello di previsione della perdita di rigidezza, causata dal processo di danneggiamento, è presentato nello stesso capitolo, validato mediante confronto con dati sperimentali. La crescita delle delaminazioni risente dell’influenza di diversi fattori, tra cui la presenza di attrito in corrispondenza dell’interfaccia delaminata 0°/90°. L’influenza che questa esercita sui valori di ERR è argomento dell’Appendice. Diverse condizioni di danneggiamento sono state simulate, variando sia il coefficiente di attrito, sia la lunghezza di delaminazione, ma i risultati ottenuti hanno evidenziato una scarsa influenza dell’attrito ai fini della stima della crescita delle delaminazioni. Successivamente, con l’obiettivo di investigare l’evoluzione del danneggiamento per laminati caratterizzati da una orientazione generica, dei test a fatica sono stati condotti su laminati [0/452]s e [0/452/-452]s. Le fasi caratterizzanti il progressivo processo di danneggiamento sono state determinate e documentate tramite una serie di immagini. Durante i test si è studiata l’evoluzione del modulo di rigidezza e del modulo di Poisson e si è correlato il loro andamento con la formazione dei meccanismi di danneggiamento. In analogia con quanto visto per i cross-ply, si è studiata l’applicabilità della curva di Paris per descrivere in maniera efficace la crescita delle delaminazioni. Successivamente, delle simulazioni numeriche sono state condotte per studiare il problema delle delaminazioni innescate dai bordi liberi, particolarmente sviluppate sia nel caso dei laminati con configurazione bilanciata e non bilanciata (Capitolo 7). In conclusione, un modello basato su un approccio probabilistico per la previsione della rottura delle fibre delle lamine orientate a 0° in laminati cross-ply viene presentato nel Capitolo 8.