Calcolo strutturale ed ottimizzazione sedile in materiale composito per elicottero ultraleggero

Il lavoro svolto consiste nel processo di ottimizzazione strutturale di un sedile in materiale composito per un elicottero ultraleggero, attraverso un processo iterativo di simulazione FEM e modifiche al progetto, interpretando i dati ricavati dalle simulazioni, nel rispetto della normativa FAR 27. I risultati ottenuti hanno permesso di dimezzare il peso iniziale e resistere meglio agli sforzi, con implicazioni benefiche anche sul costo finale del prodotto che presenta minori costi del materiale e tempi di lavorazione ridotti sia in fase di laminazione che in fase di ciclo di cura in autoclave.

Analisi e simulazione FEM del processo di infusione sottovuoto "VARI" di una passerella nautica

Tesi svolta presso l'azienda “Riba composites S.r.l.” con lo scopo di riprogettare una passerella nautica utilizzata in imbarcazioni a vela da competizione, attualmente realizzata mediante formatura in autoclave di tessuti pre-impregnati, per il processo produttivo di Vacuum Assisted Resin Injection (VARI). La formatura in autoclave di tessuti pre-­impregnati è una delle tecnologie più onerose, tra i vari processi produttivi nel settore dei materiali compositi, ma assicura proprietà meccaniche e livelli estetici superlativi. L’obiettivo della Riba Composites è ridurre i costi di produzione per offrire un prodotto dalle proprietà analoghe a un prezzo più competitivo. Nella fase di riprogettazione ci siamo affidati a un software di calcolo agli elementi finiti che simula il processo del VARI, l’applicativo PAM-­RTM, del gruppo ESI. Al fine di ottenere una simulazione quanto più precisa possibile del processo, abbiamo realizzato molteplici prove sperimentali per ricavare i valori di compressibilità e permeabilità dei rinforzi da inserire nel software FEM.

Studio dell’effetto di cicli termici su materiali CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) attraverso prove di caratterizzazione statica

L’intento di questa tesi è fornire un andamento di alcune proprietà dei materiali compositi in fibra di carbonio, CFRP, utilizzati soprattutto nell’ambito aeronautico e navale, esposti quindi a condizioni ambientali specifiche di variazione ciclica della temperatura. Lo studio è effettuato sulle prove di caratterizzazione statica, di compressione, flessione in tre punti e taglio interlaminare, che generano risultati sulla resistenza delle fibre e della matrice e sul modulo elastico a compressione e trazione del composito.

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.

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.

Valutazione degli effetti dei parametri operativi nel processo di laser ablation su materiali compositi CFRP a matrice epossidica

L’attività sperimentale presentata in questo elaborato riguarda lo studio di una particolare applicazione che impiega la tecnologia laser per la lavorazione di materiali compositi ed è stata interamente svolta, in particolar modo nella sua parte operativa, presso i laboratori della Facoltà di Ingegneria a Bologna. Il lavoro di tesi ha come obiettivo fondamentale la valutazione degli effetti che i parametri di processo possono avere sulla qualità risultante nel procedimento di ablazione per i materiali compositi. Per questa indagine sono stati utilizzati campioni piani (tutti identici tra loro) con rinforzo in fibra di carbonio e matrice in resina epossidica, i quali sono stati lavorati con un laser Nd:YAG (λ = 1064 nm) funzionante in regime continuo. L’idea alla base dell’intera attività sperimentale è stata quella di realizzare una ablazione ottimale, rimuovendo dai campioni esclusivamente la resina (in maniera locale) e tentando, allo stesso tempo, di ottenere il minimo danneggiamento possibile per le fibre. Le prove effettuate non costituiscono naturalmente un punto di arrivo, bensì rappresentano piuttosto un punto di partenza per acquisire informazioni preliminari che potranno consentire, nel prossimo futuro, di proseguire con il perfezionamento del processo e la messa a punto dei parametri, al fine di conseguire una lavorazione che dia risultati effettivamente ottimali ed interessanti per l’eventuale applicazione industriale.

Studio del decadimento delle proprietà meccaniche di compositi CFRP sottoposti a invecchiamento termico

I componenti del carbonio in ambito strutturale (aeronautico, navale, automobilistico) sono soggetti a deterioramenti ambientali di difficile determinazione, in particolare alla temperatura e all'umidità. Scopo di questa tesi è determinare i danneggiamenti dei materiali compositi CFRP in funzione di un invecchiamento a diverse percentuali della temperatura di transizione vetrosa Tg. In particolare si vuole studiare e approfondire il processo di reazione della matrice e del carbonio. Per meglio descrivere il procedimento di deterioramento e reazione del materiale composito dovuto ad alti livelli di temperatura, mi sono avvalso del supporto pratico dell’azienda “Riba Composites” di Faenza che in particolare si occupa della prototipazione e produzione di componenti strutturali in materiali compositi avanzati e che si è dimostrata leader nel settore dei compositi CFRP. Pochi studi sono stati condotti su tale argomento. Da qui il mio interesse specifico nel volere studiare e dimostrare come questo processo possa ulteriormente apportare un aiuto agli studi in ambito strutturale già effettuati e pubblicati precedentemente. La dimostrazione pratica della seguente tesi è avvenuta, con l’aiuto dell’Ing. Paolo Proli, nel laboratorio di MaSTeR Lab dell’Università di Bologna, dove si è deciso di eseguire vari invecchiamenti termici a diverse temperature per constatare i livelli di deterioramento e influenza delle variazioni di temperatura sulla matrice del composito preso in analisi. Gli effetti di tale studi sono stati sostenuti anche grazie alla guida del Professore Lorenzo Donati, e verranno dettagliatamente evidenziati nello specifico con spiegazioni in ambito teorico e dimostrazioni pratiche affiancate da schemi dimostrativi e supporto grafico.

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.

Comparison between ACI 440 and FIB 14 design guidelines in using CFRP for strengthening of a concrete bridge headstock

This paper compares and reviews the recommendations and contents of the guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures reported by ACI committee 440 and technical report of Externally bonded FRP reinforcement for RC structures (FIB 14) in application of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites in strengthening of an aging reinforced concrete headstock. The paper also discusses the background, limitations, strengthening for flexure and shear, and other related issues in use of FRP for strengthening of a typical reinforced concrete headstock structure such as durability, de-bonding, strengthening limits, fire and environmental conditions. A case study of strengthening of a bridge headstock using FRP composites is presented as a worked example in order to illustrate and compare the differences between these two design guidelines when used in conjunction with the philosophy of the Austroads (1992) bridge design code.

Strengthening of circular hollow steel tubular sections using high modulus CFRP sheets

This paper describes the behaviour of very high strength (VHS) circular steel tubes strengthened by carbon fibre reinforced polymer (CFRP) and subjected to axial tension. A series of tests were conducted with different bond lengths and number of layers. The distribution of strain through the thickness of CFRP layers and along CFRP bond length was studied. The strain was found to generally decrease along the CFRP bond length far from the joint. The strain through the thickness of the CFRP layers was also found to decrease from bottom to top layer. The effective bond length for high modulus CFRP was established. Finally empirical models were developed to estimate the maximum load for a given CFRP arrangement.

Bond–slip models for double strap joints strengthened by CFRP

This paper presents the results of a series of tension tests on CFRP bonded steel plate double strap joints. The main aim of this research is to provide detailed understanding of bond characteristics using experimental and numerical analysis of strengthened double strap joints under tension. A parametric study has been performed by numerical modelling with the variables of CFRP bond lengths, adhesive maximum strain and adhesive layer thicknesses. Finally, bond-slip models are proposed for three different types of adhesives within the range of the parametric study.

Bond characteristics between CFRP and steel plates in double strap joints

This paper describes a series of double strap shear tests loaded in tension to investigate the bond between CFRP sheets and steel plates. Both normal modulus (240 GPa) and high modulus (640 GPa) CFRPs were used in the test program. Strain gauges were mounted to capture the strain distribution along the CFRP length. Different failure modes were observed for joints with normal modulus CFRP and those with high modulus CFRP. The strain distribution along the CFRP length was found to be similar for the two cases. A shorter effective bond length was obtained for joints with high modulus CFRP whereas larger ultimate load carrying capacity can be achieved for joints with normal modulus CFRP when the bond length is long enough. The Hart-Smith Model was modified to predict the effective bond length and ultimate load carrying capacity of joints between the normal modulus CFRP and steel plates. The Multilayer Distribution Model developed by the authors was modified to predict the load carrying capacity of joints between the high modulus CFRP and steel plates. The predicted values agreed well with experimental ones.

Experimental and finite element analysis of a double strap joint between steel plates and normal modulus CFRP

Strengthening of steel structures using externally-bonded carbon fibre reinforced polymers ‘CFRP’ is a rapidly developing technique. This paper describes the behaviour of axially loaded flat steel plates strengthened using carbon fibre reinforced polymer sheets. Two steel plates were joined together with adhesive and followed by the application of carbon fibre sheet double strap joint with different bond lengths. The behaviour of the specimens was further investigated by using nonlinear finite element analysis to predict the failure modes and load capacity. In this study, bond failure is the dominant failure mode for normal modulus (240 GPa) CFRP bonding which closely matched the results of finite elements. The predicted ultimate loads from the FE analysis are found to be in good agreement with experimental values.

Impact and energy absorption of road safety barriers by coupled SPH/FEM

Road safety barriers are used to minimise the severity of road accidents and protect lives and property. There are several types of barrier in use today. This paper reports the initial phase of research carried out to study the impact response of portable water-filled barrier (PWFB) which has the potential to absorb impact energy and hence provide crash mitigation under low to moderate speeds. Current research on the impact and energy absorption capacity of water-filled road safety barriers is limited due to the complexity of fluid-structure interaction under dynamic impact. In this paper, a novel fluid-structure interaction method is developed based on the combination of Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) and Finite Element Method (FEM). The sloshing phenomenon of water inside a PWFB is investigated to explore the energy absorption capacity of water under dynamic impact. It was found that water plays an important role in energy absorption. The coupling analysis developed in this paper will provide a platform to further the research in optimising the behaviour of the PWFB. The effect of the amount of water on its energy absorption capacity is investigated and the results have practical applications in the design of PWFBs.