SECONDA UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI

SECONDA UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLIFACOLTA DI INGEGNERIA Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e MeccanicaDOTTORATO DI RICERCA IN SCIENZE E TECONOLOGIE AEROSPAZIALIIndirizzo Ingegneristico XXVI cicloRelazione finale I annoDottorandoMozzillo Gennaro

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I materiali compositi

La necessit di avere materiali sempre pi leggeri e resistenti ha portato al massiccio utilizzo di compositi, materiali costituiti da due o pi componenti con propriet fisiche e chimiche differenti che rimangono separati e distinti nella struttura finale. Relazione finale I anno Gennaro MozzilloLa necessit di avere materiali sempre pi leggeri e resistenti ha portato al massiccio utilizzo di compositi, materiali costituiti da due o pi parti con propriet fisiche e chimiche differenti che rimangono separati e distinti nella struttura finale. Lutilizzo di questo tipo di materiali permette di avere strutture con migliori propriet specifiche, ma anche di ridurre il numero di parti, eliminando giunti e saldature con una notevole riduzione dei costi di assemblaggio. per questo motivo che le maggiori aziende del settore aeronautico, spingono molto verso questa tipologia di materiali. Verrebbe da chiederci, se sono cosi straordinari, perche la percentuale non rasenta il 100%?

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Problematiche nellutilizzo dei compositiI compositi sono limitati sotto alcuni aspetti: Scarsa resistenza ai carichi concentrati. Sensibilit ai danni da impatto. Caratterizzati da comportamento incerto in presenza di delaminazioni. Comportamento a fatica.

Qualora si progetta un componente necessario predirne il comportamento fino al collasso strutturale, condizione che si verifica solitamente quando sono applicati carichi che generano uno stato di stress maggiore di quello accettabile. Cos come avviene con i materiali tradizionali, si possono verificare rotture anche per carichi ciclici la cui massima sollecitazione risulta lontana da quella massima accettabile, questo fenomeno conosciuto con il nome di fatica.La realizzazione di componenti con questo tipo di materiali spesso realizzata applicando alti coefficienti di sicurezza: ci riduce, se non annulla, il potenziale dei compositi. Relazione finale I anno Gennaro MozzilloSemplicemente perche i compositi sono limitati sotto alcuni aspetti, in particolare per i materiali utilizzati in ambito aeronautico, ce da segnalare la sensibilit ai danni da impatto, il comportamento incerto alla presenza di delaminazione e il comportamento a fatica. Il tutto porta a realizzare strutture con questo tipo di materiali applicando alti coefficienti di sicurezza: ci riduce, se non annulla, il potenziale dei compositi. In particolare, durante questanno ci si concentrato sul comportamento a fatica dei compositi. Qualora si progetti una struttura, necessario predirne il comportamento fino al collasso strutturale, condizione che avviene solitamente quando sono applicati carichi che generano uno stato di stress maggiore di quello accettabile. Cos come avviene con i materiali tradizionali, si possono verificare rotture anche per carichi ciclici la cui massima sollecitazione lontana da quella massima accettabile, questo fenomeno conosciuto con il nome di fatica.

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Piramide delle prove

Per la produzione di strutture in composito, occorre seguire la piramide delle prove per la caratterizzazione ed in seguito la certificazione di nuovi componenti, questo approccio molto oneroso in termini di tempo e denaro.Per ridurre il costo di questa procedura, obbligatoria per la certificazione di un componente, si possono utilizzare tool numerici, che riducono notevolmente il numero di test da effettuare nei livelli pi alti della piramide.Relazione finale I anno Gennaro MozzilloPoich si lavora con materiali di nuova concezione, necessario seguire una procedura determinata per la produzione di elementi in composito. Ci che occorre seguire la piramide delle prove cosi come illustrata in figura. Si parte da prove specifiche per la determinazione delle propriet del materiale fino a test su strutture sempre pi complesse, fino ad arrivare agli elementi finali. In ogni caso il gran numero di prove necessario ad analizzare tutte le zone sollecitate in modo critico rende un approccio di questo tipo molto oneroso in termini di tempo e di denaro. Per ridurre il costo di questa procedura, obbligatoria per la certificazione di una parte, si possono utilizzare tool numerici, ad eccezione quindi del livello pi basso, quello relativo la caratterizzazione del materiale possibile, possibile ridurre fortemente il numero di test da eseguire.

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Progressive Fatigue Damage Modelling Progressive Fatigue Damage Modelling (PFDM) una tecnica che usa i dati sperimentali di lamine sottoposte a cicli di carico unidirezionali per predire il comportamento di laminati sottoposti a carichi multi direzionali. La tecnica costituita da diversi passaggi che la rendono facilmente implementabile in un programma basato sul metodo degli elementi finiti. Utilizzando regole di degradazione polinomiale per le propriet di resistenza e rigidezza e criteri di rottura validi per il fenomeno della fatica (failure criteria) possibile predire il comportamento di un laminato, qualunque sia la sequenza di laminazione e forma, poich alla base delle analisi vi sono gli stress interlaminari.

Relazione finale I anno Gennaro MozzilloSebbene vi sia una considerevole quantit di ricerca sulla fatica dei materiali metallici, per quanto riguarda i compositi essa meno completa, inoltre sono molte le differenze tra il comportamento a fatica delle due tipologie di materiali. Progressive Fatigue Damage Modelling (PFDM) una tecnica che usa i dati sperimentali di lamine sottoposte a cicli di carico unidirezionali per predire il comportamento di laminati sottoposti a carichi multi direzionali. La tecnica costituita da diversi passaggi che la rendono facilmente implementabile in un programma basato sul metodo degli elementi finiti. Utilizzando regole di degradazione polinomiale per le propriet di resistenza e rigidezza e criteri di rottura validi per il fenomeno della fatica (failure criteria) possibile predire il comportamento di un laminato, qualunque sia la sequenza di laminazione e forma, poich alla base delle analisi vi sono gli stress interlaminari. Descrizione del diagramma di flusso.

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Allinterno della procedura sono utilizzate sia regole di degradazione improvvisa che graduali.

Sudden Degradation

Gradual DegradationPFDM: Regole di degradazioneRelazione finale I anno Gennaro MozzilloCome visto nellimmagine precedente, sono di due differenti tipologie le regole di degradazione inserite nella procedura. La prima equazione presentata a lato il criterio di Hashin per la rottura di un laminato. Se il valore risultante maggiore dell'unit, la struttura collassa. Com intuibile dalla formula le propriet sono delle costanti, questo significa che in alcun modo possono risentire della fatica. La seconda equazione una rivisitazione dello stesso, le propriet sono funzione dello stress, numero di cicli e stressa ratio, oltre che funzione di alcuni parametri sperimentali. Il funzionamento a rottura il medesimo. La degradazione a valle di questa equazione di tipo sudden, cio improvvisa. Altro tipo di degradazione quella graduale, che tiene conto di come degradano resistenza e rigidezza in funzione della vita a fatica residua e di parametri legati alle condizioni di carico, questo tipo di degradazione graduale. Per meglio comprendere il comportamento della procedura nella diapositiva seguente contenuto

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PFDM: Stiffness & Strenght

Il diagramma tipico della degradazione di un propriet di un particolare ply di un elemento mostrato in figura, a carattere di esempio. La rigidezza e la resistenza degradano gradualmente, ma se il risultato di criteri di rottura, opportunamente modificati per essere adattati alla fatica raggiungono il valore limite, si verifica una degradazione improvvisa delle propriet.

Relazione finale I anno Gennaro MozzilloIl diagramma tipico della degradazione di una propriet di una particolare ply di un elemento mostrato in figura, a carattere di esempio. In funzione del numero di cicli in esercizio della struttura e degli stress. La rigidezza e la resistenza degradano gradualmente, ma se il risultato di criteri di rottura, opportunamente modificati per essere adattati alla fatica raggiungono il valore limite, avviene una degradazione improvvisa delle propriet, che pu essere catastrofica o meno secondo la direzione in cui si sta analizzando la lamina. Da notare che le propriet non sono portate a zero, ma a un valore molto piccolo per non creare problemi di convergenza numerica.

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Modello numericoLintera procedura stata testata utilizzando il codice FEM Ansys 12.1 e confrontato con test sperimentali reperibili in letteratura.Il modello analizzato rappresentato da una lastra forata, con un pin al suo interno, caricata con una forza di trazione con carico variabile.

Il modello della lastra realizzato con SHELL281, elementi a otto nodi, con i quali stato possibile discretizzare il laminato delle prove, gli elementi di contatto tra pin e lastra con TARGE170 e CONTA175, relativi per un contatto linea a nodo.La procedura stata confrontata con tre test, con lo stesso modello FEM ma con tre differenti laminati.Relazione finale I anno Gennaro MozzilloIl modello analizzato rappresentato da una lastra forata, con un pin al suo interno, caricata con una forza di trazione con carico variabile. Il modello della lastra realizzato con SHELL281, elementi a otto nodi, con i quali stato possibile discretizzare il laminato delle prove, gli elementi di contatto tra pin e lastra con TARGE170 e CONTA175, relativi per un contatto linea a nodo. La procedura stata confrontata con tre test, con lo stesso modello FEM ma con tre differenti laminati.

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Test case n 1Il primo test con il quale stato fatto un confronto una lastra forata con un laminato simmetrico con una sequenza di laminazione: [04/904]s.La quantit di informazioni ricavabili da una prova numerica di questo tipo supera enormemente quelle ottenibili da una prova sperimentale, ma necessario fare un confronto per validare il modello.

Relazione finale I anno Gennaro MozzilloIl primo test con il quale stato fatto un confronto una lastra forata con un laminato simmetrico con una sequenza di laminazione: [0/90]s. La quantit dinformazioni ricavabili da una prova numerica di questo tipo supera enormemente quelle ottenibili da una prova sperimentale, necessario perci fissare degli output che saranno analizzati a valle per testare il risultato della procedura numerica.

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PFDM: Output per la validazione

In questa immagine illustrato lo stress di taglio nel piano ottenuto dallanalisi numerica, confrontato con i risultati proposti in letteratura per la lastra forata.

A lato riportato landamento della resistenza residua a taglio, in funzione del numero di cicli. I valori sono stati adimensionalizzati per poter sovrapporre i due grafici. I punti marcati attraverso i quali illustrata la curva di andamento rappresentano il valore minimo della Sxy nei quali non si verificata rottura

infine riportato i cicli a fatica che la struttura pu sopportare per un determinato valore del carico agente sulla stessa.

Relazione finale I anno Gennaro Mozzillo

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PFDM: Output aggiuntivi 1

Valori della rigidezza a taglio al variare del numero di cicli a fatica.

Element number = EnNumber of cycles = NfInfluenza delle sollecitazioni per la rottura degli elementi per un determinato numero di cicli di fatica.Fissato lelemento possibile analizzare landamento delle sollecitazioni con lincremento del fenomeno della fatica.Relazione finale I anno Gennaro Mozzillo

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PFDM: Output aggiuntivi 2

3000 cicli5000 N

50000 cicli4000 NIn alto diagrammato il comportamento a fatica della struttura al variare del carico di trazione: maggiore la forza minore sono i cicli a fatica che la struttura in grado di sopportare. A lato sono illustrati le differenti tipologie di rotture degli elementi, in particolare il colore blu corrisponde a un materiale integro ma degradato, il colore azzurro indicativo di una rottura catastrofica.

Relazione finale I anno Gennaro Mozzillo

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Test case n 2

Il secondo test una lastra forata con un laminato simmetrico con una sequenza di laminazione: [(904/04)]s. Non sono stati riportati tutti gli output come nel caso precedente, ma ci si concentrati su quello che potrebbe essere indicato come il risultato pi significativo, il collasso della struttura per i diversi carichi agenti. Anche in questo caso vi unottima congruenza tra i dati sperimentali e quelli numerici ricavati. Relazione finale I anno Gennaro MozzilloIl secondo test una lastra forata con un laminato simmetrico con una sequenza di laminazione: [(904/04)]s. Caso simile al precedente caratterizzato da una leggera traslazione verso destra della curva di tendenza. Non sono stati riportati tutti gli output come nel caso precedente, ma ci si concentrati su quello che potrebbe essere indicato come il risultato pi espressivo, il collasso della struttura per i diversi carichi agenti. Anche in questo caso vi unottima congruenza tra i dati sperimentali e quelli numerici ricavati. In questo caso, come nel precedente le rotture degli elementi sono legate essenzialmente al collasso con il pin, in questa zona che si concentrano le rotture catastrofiche.

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Test case n 3

Il terzo test una lastra forata con un laminato simmetrico con una sequenza di laminazione: [454/-454]s. Vi una perfetta coincidenza tra le linee di tendenza, anche se i punti di collasso sono inseriti in un intervallo pi ampio.Fenomeno riscontrabile anche nei dati sperimentali considerato. A lato un particolare delle rotture, non pi concentrate nella zona del pin.

3000 N+45

3000 N-45Relazione finale I anno Gennaro MozzilloIl terzo test una lastra forata con un laminato simmetrico con una sequenza di laminazione: [454/-454]s. Vi una perfetta coincidenza tra le linee di tendenza, anche se i punti di collasso sono inseriti in un intervallo pi ampio. Fenomeno riscontrabile anche nei dati sperimentali considerato. A lato un particolare delle rotture, non pi concentrate nella zona del pin.

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ConclusioniStabilito che lambito di ricerca del dottorato sia concentrato del fenomeno della fatica per i materiali compositi. Con gli output ricavati possibile conoscere approfonditamente il comportamento della struttura e la sua degradazione ciclo per ciclo. Attualmente non vi sono procedure che permettono di avere una storia temporale cosi precisa di un provino a fatica. La metodologia stata ampiamente validata. Sono stati analizzati diversi provini e sono stati paragonati i risultati individuando un buon accordo. La PFDM stata implementata in un codice agli elementi finiti. Ci si concentrati sulla Progressive Fatigue Damage Modelling poich una tecniche recenti ed possibile svilupparla ulteriormente. stata effettuata un ampia ricerca sul fenomeno e sulle tecniche sviluppate.Stabilito che lambito di ricerca del dottorato sia concentrato del fenomeno della fatica per i materiali compositi. stata compiuta unampia ricerca sul fenomeno e sulle tecniche sviluppate. Occorre porre laccento che bench il fenomeno della fatica con i materiali tradizionali sia bene conosciuto, non si pu dire altrettanto con i compositi.Ci si concentrati sulla Progressive Fatigue Damage Modelling poich una tecnica recente, le prime pubblicazioni in questo ambino sono dei primi anni 2000 ed possibile svilupparla ulteriormente. Bench possa sembrare di facile implementazione, la tecnica richiede una serie di parametri sperimentali che richiedono una massiccia campagna di test.La PFDM stata implementata in Ansys, basandosi essenzialmente sugli stress intralaminari, la tecnica si svincola dalla tipologia di struttura analizzata.La metodologia stata ampiamente validata. Sono stati analizzati diversi provini e sono stati paragonati i risultati individuando un buon accordo. Con gli output ricavati possibile conoscere approfonditamente il comportamento della struttura e la sua degradazione ciclo per ciclo. Ora non vi sono procedure che permettono di avere una storia temporale cosi precisa di un provino a fatica.

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Sviluppi futuri

Relazione finale I anno Gennaro MozzilloIn verde la situazione attuale, ci che stato fatto e ci che stato validato. In giallo ci che si ha intenzione di fare nel prossimo anno, sviluppare la procedura per strutture complesse. In seguito ci si rivolger ad aziende esterne per una campagna di test per testare i risultati ottenuti. Obiettivo anche analizzare strutture che presentano dei danneggiamenti: delaminazione, intacchi, debounding, per analizzare quale sia leffetto che questi provocano a fatica. Obiettivo finale arrivare a parti completi. Questa piramide obbligatoria per le certificazioni, i test sono necessari, ma quanto pi questi si riducono il costo della campagna di test risulta inferiore.

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Sviluppi futuri

Layup:Panels Skin: [+45/-45/0/90]3S Stringers Bot Rib: [+45/-45/03/90/03/-45/+45] Stringers Web: [+45/-45/03/90/03/-45/+45]s Stringers Top Rib: [+45/-45/03/90/03/-45/+45]s

Boundary conditionsMaterial Properties

Panel DescriptionRelazione finale I anno Gennaro Mozzillo In diapositiva riportato gi il test case sul quale si lavorer nei prossimi giorni. Una struttura pi complessa della semplice trave, nella quale pu essere considerata o no una delaminazione, sar poi necessario confrontare con dei test.

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Attivit formativeRelazione finale I anno Gennaro MozzilloCorsi: Space Liquid Propulsion tenuto da Prof. Vladimir G. Bazarov presso il Cira. Lunar Exploration tenuto dal Dr. Ren Laufer presso la Facolt di Ingegneria della Federico II. Inglese, corso di approfondimento della lingua inglese organizzato dalla Scuola di Dottorato della Facolt di Ingegneria della Seconda Universit degli Studi di Napoli. Microgravit tenuto dal Prof. Antonio Viviani. Termodinamica tenuto dal Prof. Antonio Viviani. Miscele Reagenti tenuto dal Prof. Antonio Viviani. Corso di ModeForntier Standard presso la sede Enginsoft fi Mesagne (BR). Corso di ModeForntier Avanzato presso la sede Enginsoft fi Mesagne (BR). Partecipazione al congresso CEAS2011 / AIDAA tenutosi a Venezia.

Grazie per lattenzione