Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 89
nov./dicembre
ISSN 1128-3874

Progettazione damage-based di strutture in materiale composito avanzato

N. 81 – luglio/agosto 2017

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Marino Quaresimin
Marino Quaresimin

In un precedente numero si parlava della difficoltà di certificare strutture in composito per la mancanza di definizioni corrette del valore limite e valore ultimo della risposta del materiale e l’assenza di un adeguato supporto normativo. L’esperienza ormai ventennale del gruppo di ricerca sui materiali compositi del DTG-Università di Padova nella caratterizzazione sperimentale e nello sviluppo di metodologie di calcolo per strutture in composito avanzato suggerisce, tuttavia, che il problema potrebbe essere inquadrato in una luce diversa. È infatti necessario comprendere adeguatamente le modalità di cedimento del materiale e delle strutture stesse, significativamente diverse rispetto alle strutture in materiale isotropo convenzionale, e descriverle con modelli di danno e cedimento opportuni.
I materiali convenzionali presentano, nella grande maggioranza, un comportamento duttile. La risposta di un composito laminato è invece diversa, tipicamente fragile, ed è dovuta all’evoluzione progressiva e all’accumulo dei meccanismi di danno tipici quali chicche, delaminazioni e rottura delle fibre che si verificano nei diversi strati oppure all’interfaccia fra gli stessi, in base alla sequenza di stratificazione. Cricche e delaminazioni portano alla perdita di proprietà elastiche, ma non necessariamente alla rottura, controllata invece tipicamente dalla rottura delle fibre negli strati orientati parallelamente al carico, definiti load-bearing plies. L’individuazione sperimentale delle proprietà di resistenza ortotrope della singola lamina e l’utilizzo di approcci di calcolo iterativi ply-by-ply consentono di descrivere l’evoluzione del danno e quindi la risposta del materiale. Risulta a questo punto più agevole individuare gli stati di sollecitazioni limite o ammissibili a cui far lavorare la struttura. Ad esempio nel caso di un laminato unidirezionale carbonio epossidica, con tutti gli strati orientati a 0° il cedimento avviene per la sola rottura delle fibre, con risposta perfettamente elastica fino a rottura, e con tensioni ultime elevatissime, fino a migliaia di MPa. Per contro, se lo stesso laminato è testato perpendicolarmente alle fibre, in direzione 2, la tensione ultima è di poche decine di MPa. Rinunciando a prestazioni esagerate ma fortemente sbilanciate e utilizzando in modo un po’ più saggio il materiale, si può costruire, ad esempio, un laminato cross ply [0/90]s con proprietà  bilanciate in direzione 1 e 2 che però risponde in modo diverso alle sollecitazioni. Se testato ad esempio in direzione degli strati a 0 (direzione 1), il primo evento di danno è la formazione di cricche negli strati a 90° già a livelli tensione molto limitati e la conseguente perdita della quota parte di rigidezza associata quegli strati. La capacità di carico in direzione 0 rimane tuttavia pressoché inalterata. Partendo da questo semplice esempio è possibile “progettare” il materiale, orientando opportunamente gli strati in un laminato, in funzione della risposta di resistenza, elastica ed eventualmente dell’evoluzione del danno necessario per il caso in esame. Una metodologia di calcolo basata sulla conoscenza e comprensione della risposta del materiale e adatta alla descrizione dei meccanismi di danno che si sviluppano nel materiale stesso durante la fase di carico può essere definita damage-based. Questa metodologia progettuale, brevemente esemplificata in precedenza per una condizione di carico statico, è stata recentemente estesa anche al caso di sollecitazioni multiassiali cicliche ed implementata in procedure di calcolo automatico che consentono, ad esempio, di descrivere l’evoluzione del danno e la perdita di rigidezza di una struttura nel corso della sua vita in esercizio.

Marino Quaresimin

Dipartimento di Tecnica e Gestione dei sistemi industriali - Università di Padova
marino.quaresimin@unipd.it

 


 

— Marino Quaresimin

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