Caratterizzazione di materiali compositi per lo studio di impatto volatile sulla pala di un convertiplano

This thesis work develops in the starting phase of a collaboration program with Leonardo Helicopters. The aim of the project is the AW609 tilt-rotor bird strike certification, especially the attention will be focused on the rotor blade impact. The main topic of this work is the mechanical characterization of the composite materials that constitute the rotor blade of the tilt-rotor. In the first part of the study the materials mechanical properties have been investigated in order to develop a numerical model for bird strike simulation. The experimental tests performed in the laboratory of Politecnico di Milano and the related LS-DYNA simulation will follow. The characterization has been carried out trough both static, following ISO 527-5 and ASTM D7264 standard, and dynamic tests, as the strain rate dependency of the material properties is a relevant subject in crash analysis. In fact, both composite and non-composite materials show remarkable differences in mechanical properties linked to the deformation rate. Furthermore several improvements have been provided to the drop test machine located in the Laboratory for transport safety (LaST) of Politecnico di Milano. The updated apparatus enabled the conduction of dynamic tests on composite materials. In the last part of the work a fracture mechanics analysis is proposed to develop two recent LS-DYNA material cards, MAT261 and MAT262. These material models allow the modelization of composite materiale and they use failure criteria based on fracture toughness.

Il presente lavoro di tesi si inserisce nelle fasi iniziali di un programma in collaborazione con Leonardo Helicopters il cui fine ultimo è la certificazione a bird impact del convertiplano AgustaWestland AW609, in particolare ci si concentrerà sul caso di impatto volatile con le pale del rotore. La prima fase di questo progetto prevede lo studio dei materiali compositi di cui son costituite le pale del rotore, per poterne sviluppare un modello ad elementi finiti con il quale verranno svolte simulazioni numeriche in preparazione alle prove certificative. Verrà presentata la campagna di prove sperimentali svolta presso il Politecnico di Milano per compiere la caratterizzazione meccanica dei materiali e il conseguente sviluppo dei modelli numerici in ambiente LS-DYNA. La caratterizzazione dei materiali è stata svolta sia tramite prove statiche, secondo le indicazioni delle normative ISO 527-5 e ASTM D7264 , sia tramite prove dinamiche per valutare il comportamento del materiale quando sottoposto ad alti ratei di deformazione, tematica di grande interesse nello studio di fenomeni di crash come l'impatto con un volatile. Infatti molti materiali, sia compositi che di altra natura, evidenziano grandi cambiamenti delle proprietà meccaniche al variare della velocità di deformazione. Si riporterà inoltre l'attività di aggiornamento della macchina ad inversione, presente presso il Laboratorio per la Sicurezza dei Trasporti (LaST), necessaria per l'esecuzione delle prove di trazione veloce su provini in materiale composito. Infine verrà presentato lo studio di meccanica della frattura di un materiale con rinforzo unidirezionale in fibra di carbonio, utile per la compilazione di due schede materiale rilasciate recentemente per il software a elementi finiti LS-DYNA( MAT261 e MAT262). Queste permettono di modellare un materiale composito e usano criteri di cedimento basati sulla tenacità a frattura.