Studio e progettazione di giunti incollati di tipo strutturale per applicazioni aeronautiche

Il presente elaborato è stato approfondito e sviluppato presso lo stabilimento della Blackshape Aircraft S.p.A. sito in Monopoli (Bari). L’obiettivo è stato principalmente orientato sull’individuazione di un metodo di progettazione di giunzioni incollate fra laminati in CFRP basato su di un modello matematico in grado di prevederne la resistenza. Per realizzare tale studio sono stati necessari approfondimenti preliminari relativi al comportamento meccanico dei laminati in materiale composito e agli studi condotti da Hart-Smith sulla teoria degli incollaggi. E’ stato determinato un metodo analitico per il calcolo della lunghezza di sovrapposizione degli aderenti. Il criterio di resistenza del giunto individuato, basato sulla teoria del cedimento multiassiale di Von Mises, è stato approvato dalla Agenzia Europea per la Sicurezza Aerea, EASA. A livello numerico-pratico è stato preso in esempio il giunto fra i gusci di fusoliera relativi al nuovo velivolo Blackshape con certificazione VLA (Very Light Aircraft).

On the influence of polymeric nanofibers in laminated composite materials. Studio dell'influenza di nanofibre polimeriche in materiali compositi laminati

During the last years an increased interest about the reinforcement of laminated composites by means of polymeric nanofibers has been growth. During this master-degree-thesis work, unidirectional and plane-textile composites have been interleaved with Nylon 6.6, PCL and mixed (Nylon 6.6+PCL) nanofibrous mats and the DCB (mode I interlaminar fracture toughness), ENF (mode II interlaminar fracture toughness and DMA (damping capability) tests have been performed. Regarding the interlaminar fracture toughness, marked increases have been recorded; while further investigation about damping capability is requested.

Utilizzo industriale di cfrp (carbon fiber reinforced polymers) nanomodificati con nanofibre prodotte per elettrospinning

Attraverso questo studio sono state indagate le proprietà di compositi laminati in fibra di carbonio (CFRP) nano-modificati con nanofibre in Nylon 6.6, in termini di resistenza al danneggiamento da impatti a bassa velocità (con caratterizzazione Drop Weight at Low Velocity) e di smorzamento della vibrazione (con caratterizzazione a damping). Sono stati indagate due configurazioni di nanorinforzo differenti, confrontate con le prestazioni di provini vergini laminati tradizionalmente. Sono infine state operate delle analisi grafiche delle micrografie di campioni sezionati per trarre conclusioni di carattere tecnologico.

Simulazione numerica di giunzioni incollate in materiali compositi : valutazione degli effetti di bordo

Sviluppo di uno studio numerico, tramite metodo agli elementi finiti (FEM), sull'effetto di bordo in giunti incollati a sovrapposizione semplice (unsupported single-lap joints). E’ stata implementata l’analisi numerica di provini standard da normativa relativa a test sperimentali, per giunzioni tra lamine metalliche e tra materiali compositi in fibre di carbonio/matrice epossidica (CFRP). E’ stato cercata la geometria del bordo dello strato adesivo che potrebbe garantire una maggiore resistenza del giunto.

Tenacizzazione di laminati compositi mediante l'utilizzo di nanofibre in PVDF

Analisi riguardante la tenacizzazione della matrice di laminati compositi. Lo scopo è quello di aumentare la resistenza alla frattura di modo I e, a tal proposito, sono stati modificati gli interstrati di alcuni provini tramite l’introduzione di strati, di diverso spessore, di nanofibre in polivinilidenfluoruro (PVDF). La valutazione di tale metodo di rinforzo è stata eseguita servendosi di dati ottenuti tramite prove sperimentali svolte in laboratorio direttamente dal sottoscritto, che si è occupato dell’elaborazione dei dati servendosi di tecniche e algoritmi di recente ideazione. La necessità primaria per cui si cerca di rinforzare la matrice risiede nel problema più sentito dei laminati compositi in opera da molto tempo: la delaminazione. Oltre a verificare le proprietà meccaniche dei provini modificati sottoponendoli a test DCB, si è utilizzata una tecnica basata sulle emissioni acustiche per comprendere più approfonditamente l’inizio della delaminazione e i meccanismi di rottura che si verificano durante le prove. Quest’ultimi sono illustrati servendosi di un algoritmo di clustering, detto Fuzzy C-means, tramite il quale è stato possibile identificare ogni segnale come appartenente o meno ad un determinato modo di rottura. I risultati mostrano che il PVDF, applicato nelle modalità esposte, è in grado di aumentare la resistenza alla frattura di modo I divenendo contemporaneamente causa di un diverso modo di propagazione della frattura. Infine l’elaborato presenta alcune micrografie delle superfici di rottura, le quali appoggiano i risultati ottenuti nelle precedenti fasi di analisi.

Valutazione analitica delle aree di delaminazione in materiali compositi avanzati soggetti ad impatti a bassa velocità

In questo lavoro di tesi è stato elaborato un modello analitico al fine di ottenere una stima dell’ampiezza di delaminazione a seguito di impatti a bassa velocità in laminati in composito, in particolare carbon/epoxy. Nel capitolo 2 è descritto il comportamento meccanico di tali laminati (equazioni costitutive della singola lamina, dell’intero laminato e costanti ingegneristiche dell’intero laminato per qualsiasi sistema di riferimento). Nel capitolo 3 viene descritta la filosofia di progettazione damage tolerance per tali materiali sottoposti a low-velocity impact (LVI) e richiamato il concetto di structural health monitoring. In particolare vengono descritti i tipi di difetti per un laminato in composito, vengono classificati gli impatti trasversali e si rivolge particolare attenzione agli impatti a bassa velocità. Nel paragrafo 3.4 sono invece elencate diverse tecniche di ispezione, distruttive e non, con particolare attenzione alla loro applicazione ai laminati in composito. Nel capitolo 4 è riportato lo stato dell’arte per la stima e la predizione dei danni dovuti a LVI nei laminati: vengono mostrate alcune tecniche che permettono di stimare accuratamente l’inizio del danno, la profondità dell’indentazione, la rottura delle fibre di rinforzo e la forza massima di impatto. L’estensione della delaminazione invece, è difficile da stimare a causa dei numerosi fattori che influenzano la risposta agli impatti: spesso vengono utilizzati, per tale stima, modelli numerici piuttosto dispendiosi in termini di tempo e di calcolo computazionale. Nel capitolo 5 viene quindi mostrata una prima formula analitica per il calcolo della delaminazione, risultata però inaffidabile perché tiene conto di un numero decisamente ristretto di fattori che influenzano il comportamento agli LVI. Nel capitolo 6 è mostrato un secondo metodo analitico in grado di calcolare l’ampiezza di delaminazione mediante un continuo aggiornamento della deflessione del laminato. Dal confronto con numerose prove sperimentali, sembra che il modello fornisca risultati vicini al comportamento reale. Il modello è inoltre fortemente sensibile al valore della G_IIc relativa alla resina, alle dimensioni del laminato e alle condizioni di vincolo. É invece poco sensibile alle variazioni delle costanti ingegneristiche e alla sequenza delle lamine che costituiscono il laminato. La differenza tra i risultati sperimentali e i risultati del modello analitico è influenzata da molteplici fattori, tra cui il più significativo sembra essere il valore della rigidezza flessionale, assunto costante dal modello.

Simulazione numerica di incollaggi single-strap joint

Nel presente lavoro sono esposti i comportamenti e le caratteristiche principali dei giunti incollati. Il metodo agli elementi finiti è stato studiato in modo da realizzare un modello accurato di un sistema fisico. L’analisi agli elementi finiti è stata utilizzata per effettuare una simulazione numerica di un single-strap joint in alluminio e in CFRP sotto un carico di trazione assiale. L’effetto di una modifica della distanza tra le lastre è stato studiato e i risultati confrontati.

Simulazione numerica di incollaggi double-strap joint

Esposizione di comportamenti e caratteristiche principali dei giunti incollati. Il metodo agli elementi finiti è stato studiato in modo da realizzare un modello accurato di un sistema fisico. L’analisi agli elementi finiti è stata utilizzata per effettuare una simulazione numerica di un double-strap joint in alluminio e in CFRP sotto un carico di trazione assiale. L’effetto di una modifica della distanza tra le lastre è stato studiato e i risultati confrontati.

Caratterizzazione meccanica di materiali compositi mediante attrezzatura CLC

L'obiettivo della tesi è diradare, almeno parzialmente, le incertezze che potrebbero essere presenti nella caratterizzazione a compressione di materiali compositi. Per quanto concerne la compressione, in un primo momento, non essendo ritenuta una caratteristica troppo rilevante, si considerava che il materiale composito avesse proprietà equivalenti a quelle in trazione. Solo successivamente, dai primi anni ’70, si sono iniziate ad indagare in modo approfondito e mirato le proprietà meccaniche a compressione di tali materiali. Si sono sviluppati e normati nel tempo vari metodi che vengono classificati in base al modo di applicazione del carico sul provino. Ci si è quindi proposti, basandosi anche sulle richieste mosse dalla Scuderia Toro Rosso di Faenza, di determinare, dopo aver analizzato tutti i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna metodologia, quella migliore a cui attenersi per tutte le prove di compressione che seguiranno. A tale scopo, dopo una attenta e approfondita analisi dei vari metodi di prova, si è scelto di utilizzare il Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture: attrezzatura leggera e molto compatta, che dimostra una affidabilità dei risultati superiore alle altre tecnologie. Si è, inoltre, deciso di testare laminati non unidirezionali, evitando così molte problematiche quali, ad esempio, quelle dovute all’utilizzo di tabs o al possibile insorgere di microbuckling delle fibre. Si è risaliti, poi, al valore di resistenza a compressione della lamina unidirezionale attraverso il metodo di calcolo indiretto del Back-Out Factor (BF). Di tale metodo si sono indagate le basi teoriche, a partire dalla teoria classica dei laminati, e si sono ricavate le formule necessarie per l'applicazione pratica sperimentale. Per quanto riguarda la campagna sperimentale, svolta presso i laboratori ENEA di Faenza – Unità Tecnica Tecnologie dei Materiali Faenza (UTTMATF), sono stati realizzati 6 laminati di materiale composito, ognuno con differente sequenza di laminazione e percentuale di fibre nelle diverse direzioni. Due laminati sono stati ottenuti impilando lamine unidirezionali preimpregnate, in modo da ottenere una configurazione cross-ply (0°\90°), due in configurazione angle-ply (0°\90°\±45°) e due materiali unidirezionali (0° e 90°). Da questi 6 laminati sono stati ricavati 12/13 provini ciascuno. I provini cross-ply e angle-ply sono stati testati per ricavarne la resistenza a compressione, da cui, poi, risalire a quella della lamina unidirezionale a 0° mediante il BF. Dal confronto dei risultati ottenuti attraverso l'applicazione combinata di CLC e Back-Out Factor, con i dati riportati nel datasheet ufficiale, si è avuta conferma dell'affidabilità della metodologia scelta. Per quanto concerne l'elaborazione dei dati ricavati dalle prove sperimentali, è stato utilizzato un opportuno programma realizzato con il software Matlab. Con l'estensione GUI, poi, è stata creata un'interfaccia grafica per agevolare la comprensione delle fasi di elaborazione anche ad un utente non esperto.

Applicazione di reticoli di Bragg "chirped" per il monitoraggio strutturale di laminati CFRP

L’uso dei materiali compositi è andato aumentando negli ultimi decenni per la loro elevata rigidezza, la resistenza specifica e il possibile risparmio, notevole in termini di peso dell’intera struttura. Tali materiali introducono però nuove problematiche riguardanti le modalità di danneggiamento e il comportamento a fatica. Mentre questi fenomeni sono relativamente ben compresi nei materiali metallici, per una struttura in composito non esistono ancora modelli in grado di predire con sufficiente affidabilità l’evoluzione del danneggiamento. Negli ultimi anni la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di sistemi in grado di rilevare la presenza e l’evoluzione del danno, definiti Structural Health Monitoring Systems, ovvero sistemi di monitoraggio strutturale. Il danneggiamento strutturale può così essere individuato e identificato per mezzo di sensori distribuiti integrati nella struttura stessa, aventi la possibilità di trasmettere queste informazioni a un sistema di analisi esterno permettendo di valutare lo stato di degrado della struttura in tempo reale. In questo contesto si inseriscono le attività di ricerca sulle strutture intelligenti che, inglobando al loro interno opportune tipologie di sensori e attuatori, sono in grado di monitorare l’ambiente fisico operativo, raccoglierne e interpretarne le informazioni per poi rispondere ai cambiamenti della struttura in modo appropriato attraverso gli attuatori. L’impiego di sensori e attuatori inglobati nelle strutture offre molteplici vantaggi rispetto ai sistemi di trasduzione e attuazione convenzionali. L’attività di ricerca condotta in questa tesi è rivolta all’indagine di tecniche di SHM per mezzo di sensori a fibra ottica. Essi presentano molteplici peculiarità che li rendono i candidati ideali per queste applicazioni. Esistono diversi tipi di sensori che utilizzano le fibre ottiche. Nel presente lavoro si sono utilizzati sensori di deformazione basati sui reticoli di Bragg (FBG) chirped. Questi sensori sono costituiti da un reticolo inscritto all’interno della fibra, che ha l’effetto di riflettere solo alcune lunghezze d’onda della luce incidente. Se le proprietà geometriche del reticolo cambiano per effetto di una deformazione, cambia anche la forma dello spettro riflesso. Inoltre, con il tipo di sensore usato, è possibile correlare lo spettro con la posizione di eventuali danneggiamenti interni al materiale. Gli obbiettivi di questa ricerca sono di verificare gli effetti della presenza di una fibra ottica sulle caratteristiche meccaniche di un laminato e di trovare un legame tra la risposta in frequenza del sensore FBG e lo stato tensionale e il grado di danneggiamento di un componente in composito.

Influenza dei parametri di processo delle caratteristiche meccaniche di materiali compositi

Lo scopo di questa tesi è valutare la resistenza a compressione e il valore del modulo elastico di tre laminati ottenuti con lo stesso materiale composito, CFRP, distinti in fase di laminazione dall’utilizzo di tre diverse tipologie di distaccante (peel-ply, film distaccante e controstampo). In questo modo è stato possibile valutare come quest’ultimi abbiano influito, in modo diverso per ogni laminato, sull’omogeneità dello spessore, sul peso, sulla fuoriuscita di resina e sulla percentuale volumetrica delle fibre. Tali fattori a loro volta hanno caratterizzato i valori di resistenza a compressione e modulo elastico. Nei capitoli successivi è descritto un metodo di analisi a compressione dei materiali compositi, a matrice epossidica rinforzata con fibre di carbonio (CFRP), denominato Combined Loading Compression (CLC) Test Method, basato sull’applicazione, combinata, del carico sul campione, a taglio e all’estremità. La realizzazione dei provini è stata effettuata presso i laboratori dell’università: sono stati realizzati 3 laminati, per ognuno dei quali si è scelto di utilizzare su ogni pezzo una diversa tipologia di distaccante: controstampo, film distaccante e peel-ply, allo scopo di valutare quanta resina uscirà dal manufatto una volta in autoclave e quanta variazione di spessore avremo. Da ognuno di questi laminati sono stati ricavati 5 provini. La campagna sperimentale è stata condotta presso il Laboratorio Tecnologie dei Materiali Faenza (TEMAF). L’elaborazione dei dati è stata effettuata mediante l’utilizzo del software Office Excel, in cui sono stati calcolati i parametri fondamentali, suggeriti dalla normativa ASTM D6641/D6641M, per la caratterizzazione meccanica a compressione dei materiali CFRP.

Valutazione degli effetti di invecchiamento termico su laminati in CFRP

Valutazione degli effetti ambientali sulle caratteristiche meccaniche di materiali compositi avanzati. Laminati in fibra di carbonio e resina epossidica, sottoposti a cicli termici, sono stati analizzati per determinare le resistenze strutturali degli stessi. I valori ottenuti sono stati comparati con materiale non invecchiato.

Valutazione numerica del comportamento di materiali compositi sottoposti ad impatti "near edge"

Simulazione numerica con software Abaqus di impatti a bassa energia su laminati di fibra di carbonio con matrice epossidica per la previsione della formazione di delaminazioni interne. Confronto tra impatti centrali al provino e in prossimità del bordo.

Progetto concettuale di un sedile in materiali compositi per veicoli solari

Il seguente elaborato è la conclusione dell'esperienza di tesi volta alla progettazione di componenti, nello specifico sedili e punti di ancoraggio per le cinture di sicurezza, per il cruiser Emilia 4, veicolo solare che gareggerà con le più importanti università mondiali nella 2017 World Solar Challenge in Australia. L'attività compiuta risulta essere il punto di arrivo dell'ottimizzazione strutturale degli elementi, attribuendo fondamentale importanza al peso delle strutture; l'obiettivo è stato raggiunto mediante l'adozione della fibra di carbonio, nel rispetto del regolamento della corsa e delle norme stradali australiane. Gran parte delle attività sono state svolte a Castel San Pietro nell'azienda Metal Tig, impresa specializzata nella lavorazione dei laminati in composito; qui si sono tenute riunioni settimanali per discutere dei progressi del progetto e delle modifiche da apportare. Il lavoro di tesi si conclude con la quarta revisione dei componenti affidatomi: essa probabilmente non sarà la versione definitiva, ma sicuramente sarà un punto di riferimento per i prossimi progettisti impegnati nell'impresa.

Applicazione della tecnica "incremental hole drilling" su materiali compositi

Durante la vita operativa di un aeromobile, gli elementi costitutivi possono essere soggetti a diverse tipologie di carichi. Questi carichi possono provocare la nascita e la propagazione di eventuali cricche, le quali una volta raggiunta una determinata dimensione possono portare alla rottura del componente stesso causando gravi incidenti. A tale proposito, la fatica costituisce uno dei fattori principali di rottura delle strutture aeronautiche. Lo studio e l’applicazione dei principi di fatica sugli aeroplani sono relativamente recenti, in quanto inizialmente gli aerei erano realizzati in tela e legno, un materiale che non soffre di fatica e assorbe le vibrazioni. I materiali aeronautici si sono evoluti nel tempo fino ad arrivare all’impiego dei materiali compositi per la costruzione degli aeromobili, nel 21. secolo. Il legame tra nascita/propagazione delle cricche e le tensioni residue ha portato allo sviluppo di numerose tecniche per la misurazione di queste ultime, con il fine di contrastare il fenomeno di rottura a fatica. Per la misurazione delle tensioni residue nei componenti metallici esistono diverse normative di riferimento, al contrario, per i materiali compositi, la normativa di riferimento è tuttora oggetto di studio. Lo scopo di questa tesi è quello di realizzare una ricerca e studiare dei metodi di riferimento per la misurazione delle tensioni residue nei laminati compositi, tramite l’approfondimento di una tecnica di misurazione delle tensioni residue, denominata Incremental Hole Drilling.