Buckling strength of adhesively-bonded single and double-strap repairs on carbon-epoxy structures

This work reports on an experimental and finite element method (FEM) parametric study of adhesively-bonded single and double-strap repairs on carbon-epoxy structures under buckling unrestrained compression. The influence of the overlap length and patch thickness was evaluated. This loading gains a particular significance from the additional characteristic mechanisms of structures under compression, such as fibres microbuckling, for buckling restrained structures, or global buckling of the assembly, if no transverse restriction exists. The FEM analysis is based on the use of cohesive elements including mixed-mode criteria to simulate a cohesive fracture of the adhesive layer. Trapezoidal laws in pure modes I and II were used to account for the ductility of most structural adhesives. These laws were estimated for the adhesive used from double cantilever beam (DCB) and end-notched flexure (ENF) tests, respectively, using an inverse technique. The pure mode III cohesive law was equalled to the pure mode II one. Compression failure in the laminates was predicted using a stress-based criterion. The accurate FEM predictions open a good prospect for the reduction of the extensive experimentation in the design of carbon-epoxy repairs. Design principles were also established for these repairs under buckling.

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.

Modeling mechanical response of heterogeneous materials

Heterogeneous materials are ubiquitous in nature and as synthetic materials. These materials provide unique combination of desirable mechanical properties emerging from its heterogeneities at different length scales. Future structural and technological applications will require the development of advanced light weight materials with superior strength and toughness. Cost effective design of the advanced high performance synthetic materials by tailoring their microstructure is the challenge facing the materials design community. Prior knowledge of structure-property relationships for these materials is imperative for optimal design. Thus, understanding such relationships for heterogeneous materials is of primary interest. Furthermore, computational burden is becoming critical concern in several areas of heterogeneous materials design. Therefore, computationally efficient and accurate predictive tools are highly essential. In the present study, we mainly focus on mechanical behavior of soft cellular materials and tough biological material such as mussel byssus thread. Cellular materials exhibit microstructural heterogeneity by interconnected network of same material phase. However, mussel byssus thread comprises of two distinct material phases. A robust numerical framework is developed to investigate the micromechanisms behind the macroscopic response of both of these materials. Using this framework, effect of microstuctural parameters has been addressed on the stress state of cellular specimens during split Hopkinson pressure bar test. A voronoi tessellation based algorithm has been developed to simulate the cellular microstructure. Micromechanisms (microinertia, microbuckling and microbending) governing macroscopic behavior of cellular solids are investigated thoroughly with respect to various microstructural and loading parameters. To understand the origin of high toughness of mussel byssus thread, a Genetic Algorithm (GA) based optimization framework has been developed. It is found that two different material phases (collagens) of mussel byssus thread are optimally distributed along the thread. These applications demonstrate that the presence of heterogeneity in the system demands high computational resources for simulation and modeling. Thus, Higher Dimensional Model Representation (HDMR) based surrogate modeling concept has been proposed to reduce computational complexity. The applicability of such methodology has been demonstrated in failure envelope construction and in multiscale finite element techniques. It is observed that surrogate based model can capture the behavior of complex material systems with sufficient accuracy. The computational algorithms presented in this thesis will further pave the way for accurate prediction of macroscopic deformation behavior of various class of advanced materials from their measurable microstructural features at a reasonable computational cost.