Numerical and experimental strategies for design optimization of composite structures

I materiali compositi sono utilizzati nell’ambito delle auto da corsa dal 1981 grazie alle loro elevate prestazioni in termini di rigidezza e di resistenza associate ad una bassa densità rispetto ai materiali metallici comunemente utilizzati per applicazioni ingegneristiche. Oggi girono il loro utilizzo è stato ampiamente esteso alle vetture per utilizzo stradale per cui problemi di durabilità sono sorti in quanto il produttore deve garantire l’efficienza della struttura o del componente progettato per un periodo di tempo designato. Considerando queste problematiche l’obiettivo principale dell’attività di ricerca è stato quello di sviluppare modelli comportamentali e metodologie di testing per la progettazione a fatica di strutture in materiale composito per applicazioni automotive sottoposte ai carichi di esercizio. Dato l’estensivo utilizzo in ambito industriale di materiali compositi con rinforzo in tessuto soprattutto per la realizzazione di componenti strutturali come telai, sospensioni e profili aereodinamici, risulta indispensabile effettuare un’approfondita indagine dei parametri che influenzano il comportamento a fatica di tale materiale. Per cui un’estesa caratterizzazione del comportamento a fatica di laminati con rinforzo in tessuto di carbonio è stata effettuata (Capitolo 2) al fine di valutare l’influenza del rapporto nominale di ciclo (R) e dello spessore dello strato di rinforzo, parametro che risulta direttamente collegato all’ondulazione delle fibre, sul comportamento a fatica di tali laminati. Una volta che gli effetti di questi parametri sono stati chiariti l’interesse si è concentrato sulla previsione del comportamento a fatica di un profilo alare appartenente ad una vettura da competizione realizzato con il materiale precedentemente caratterizzato. I test a fatica nel componente (Capitolo 3) hanno permesso di trovare un modello affidabile per la previsione a fatica di componenti in materiale composito soggetti a carichi monoassiali. Sfortunatamente la maggior parte dei componenti utilizzati nell’ambito automotive presentano dei lay-up multi-materiale per cui all’interno del componente sono presenti lamine che hanno sia rinforzi unidirezionali che in tessuto. L’effetto del lay-up multi-materiale nel comportamento a fatica è stato investigato mediante lo svolgimento di test di fatica monoassiali in un profilo alare anteriore di una vettura competizione (Capitolo 4). L’utilizzo del modello comportamentale individuato nell’attività precedente ha fornito risultati significativi. Al fine di avere uno scenario completo risulta indispensabile investigare l’effetto dei carichi di esercizio (carichi multiassiali con ampiezza variabile) in un componente reale multi-materiale (Capitolo 5). Durante questa attività è stata sviluppata una metodologia di calcolo per la definizione dei carichi di servizio per un profilo alare e una volta che lo spettro di carico è stato definito sono stati svolti test sperimentali. Il modello individuato nelle attività precedenti non è in grado di fornire previsioni per sollecitazioni di fatica multiassiali per cui altri modelli reperiti in letteratura sono stati utilizzati per la stima del numero di cicli a rottura del componente. L’attività di previsione della vita a fatica ha permesso di mettere in luce la poca versatilità nell’utilizzo dei modelli selezionati in fase progettuale in quanto lo svolgimento di lunghi e costosi test sperimentali è richiesto per la calibrazione dei parametri per l’applicazione del modello. A seguito di queste considerazioni è stato deciso di estendere il modello valido per i carichi di fatica monoassiali, che aveva fornito ottimi risultati, ai carichi di fatica multiassiali (Capitolo 6). Il criterio si basa nell’utilizzo di curve di fatica semplificate definite tramite i rapporti di fatica, essi sono stati ottenuti mediante un’estensiva rianalisi di un elevato numero di dati sperimentali reperiti in letteratura riguardanti test di fatica con multiassialità di carico interna ed esterna. I dati sperimentali sono stati suddivisi in diversi gruppi in base ai seguenti parametri: tipo di fibra e architettura, tipo di matrice e rapporto nominale di ciclo. La definizione di un parametro che è in grado di tener conto del delle condizioni di carico e del loro effetto nella resistenza del laminato ha permesso l’estensione del modello ai carichi di fatica multiassiali. La definizione di una metodologia di calcolo che utilizza il criterio fenomenologico sviluppato ha permesso la valutazione del comportamento a fatica di laminati sottoposti a carichi di fatica ad ampiezza variabile (Capitolo 7) che rappresenta la più comune tipologia di carico per componenti utilizzati nel settore automotive. Dal momento che la metodologia di progettazione sviluppata è stata riconosciuta come un potente strumento ingegneristico per la previsione del comportamento a fatica di laminati in materiale composito è stata implementata in un software sviluppato utilizzando il codice Matlab (Capitolo 8) al fine di aiutare i progettisti durante la fase di progettazione. Per aumentare le potenzialità del criterio fenomenologico sviluppato per la previsione del comportamento a fatica di strutture automotive è stato deciso di estendere il criterio per tener conto dell’utilizzo di laminati ibridi (Carbonio/Vetro e Carbonio/Kevlar) e per la valutazione dell’effetto della temperatura nel comportamento a fatica di laminati in materiale composito. A seguito di un’estensiva validazione è stato dimostrato che utilizzando i gruppi di fatica sviluppati è possibile prevedere il comportamento a fatica di laminati ibridi con differenti architetture del rinforzo sottoposti a differenti rapporti nominali di sollecitazione. È stata possibile inoltre valutare il comportamento a fatica di laminati in composito sottoposti a basse ed elevate temperature. Ulteriormente l’effetto di intagli nel comportamento a fatica dei laminati è stato investigato, in quanto nel settore automotive c’è la necessita di unire componenti e strutture ed i fori sono stati identificati come il più comune intaglio. Per cui il criterio fenomenologico è stato esteso al caso di laminati con foro centrato mediante lo sviluppo di diversi gruppi di fatica che sono stati validati con l’utilizzo di dati esterni nei casi di sollecitazioni di fatica monoassiale, multiassiale e ad ampiezza variabile ottenendo ottimi risultati. Molto spesso durante la loro vita in esercizio i componenti e le strutture sono sottoposti ad impatti per cui è necessario essere in grado di predire il comportamento a fatica a seguito di un impatto. A questo fine diversi gruppi di fatica sono stati creati al fine di estendere il criterio sviluppato al caso di fatica dopo impatto, ed un’estesa validazione eseguita ha permesso di ottenere risultati molto soddisfacenti. Infine il criterio e le metodologia di progettazione sviluppata sono stati utilizzati per prevedere il comportamento a fatica di strutture sandwich e giunzioni bullonate (composito-composito, composito-alluminio e composito-acciaio) ottenendo ottimi risultati. Le attività svolte hanno consentito lo sviluppo di un’affidabile metodologia ingegneristica per la previsione a fatica di strutture in materiale composito soggette a carichi di esercizio.