Sviluppo modelli di materiale per l'integrità strutturale di elementi in CMC

In the last years, the carbon fibre with ceramic matrix composite material has been used in brake discs suitable for high-performances cars. However, the disc structural dimensioning of this discs is complicated, since the material has a very complex composition which leads to considerable difficulties in the definition of finite element models necessary to perform simulations for the prediction of the behavior of structures composed from it. This thesis has been focused on the developing of a material subroutine for use with homogenized models for implicit simulation. The attention was directed to the study of a constitutive law able to reproducing the behavior of the purified material to the presence of the damage through an elasto-plastic model (criterio di Drucker-Prager) and at the same time able to reproduce the orthotropic material in the braking bans and to provide different stiffnesses in the case of tensile and bending stresses thanks to the integration of a orthotropic behavior of the reinforcing phase. Previous researches in this work, carried out by the Department of Science and Technology Aerospazial in collaboration with Brembo SGL Ceramic Brake System have developed sophisticated numerical models that they have been used as support for the calibration of the user define material allowing to receive the properties and characteristics of the constituent phases. Finally, to evaluate reliability of the implemented model a thermomechanical test on a complete brake disk has been done.

I compositi a matrice ceramica rinforzati con fibre di carbonio, negli ultimi anni sono stati utilizzati per produrre dischi freno adatti a autovetture ad alte prestazioni. Tuttavia, il dimensionamento strutturale dei dischi è complicato, poichè il materiale presenta una composizione molto complessa che porta a notevoli difficoltà nella definizione di modelli ad elementi finiti atti ad effettuare simulazioni per la predizione del comportamento di strutture da esso composte. Il lavoro di tesi è incentrato sullo sviluppo di una subroutine di materiale da utilizzare con modelli omogeneizzati per simulazioni implicite. L’attenzione è stata rivolta allo studio di una legge costitutiva capace di riprodurre il comportamento del materiale epurato della presenza del danno attraverso un modello elasto-plastico (criterio di Drucker-Prager ) e allo stesso tempo in grado riprodurre l’ortrotropia del materiale nelle fasce frenanti e di fornire differenti rigidezze nel caso di sollecitazioni a trazione e flessione grazie all’inserimento di un comportamento ortotropo della fase di rinforzo. Le attività di ricerca precedenti a questo lavoro, svolte dal Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali in collaborazione con Brembo SGL Ceramic Brake System hanno messo a disposizione raffinati modelli numerici che sono stati un supporto fondamentale per la calibrazione della user define material permettendo di ricavere le proprietà e le caratteristiche delle fasi costituenti. Infine, per valutare l’effettiva applicabilità ed affidabilità del modello implementato è stata effettuata una prova termo-meccanica su un disco freno completo.