Advanced modelling and fatigue life assessment of a polymer metal hybrid structure

The automotive industry currently is in the drive to produce lighter, safer and more efficient cars for the 21st century and beyond through application of new lighter materials that can do a better job. Hybrid materials, where multiple substances are combined, belong to an interesting new class that is emerging rapidly thanks to their main applications and powerful properties. Challenges in estimating damage in composite materials derive from the fact that in general composite materials are inhomogeneous and anisotropic, that is, their physical properties may vary throughout a structure, and be strongly directional. In this thesis work, the design of a polymer metal hybrid structure is addressed by advanced modelling methods, by combining process simulation with non-linear finite element structural analysis. The hybrid structure is composed by polyamide 66 reinforced with 50% mass fraction short glass fiber (PA66GF50) and aluminum. Injection molding simulations are performed using the software Moldflow, whose result is the fiber orientation distribution inside the polymeric subcomponent that defines the material anisotropy. Polymer nonlinear properties and anisotropy, function of the fiber orientation, are evaluated using the software Digimat. The coupling with process simulation allows for taking into account the effect of fibre orientation upon the mechanical response of the structure. In order to obtain any useful estimate of damage, inhomogeneity and anisotropy of the material were token into account both in the structural FE analysis (defining the load-stress transfer function) and in the fatigue analysis (defining the stress-life relationship), in order to have the best possible fitting between results. Model verification is performed firstly by static general simulations, and subsequently by explicit quasi-static modelling. In parallel, manufacturing process is optimized by studying the optimal injection point based on the mechanical response of the component and its behavior against failure. The analysis of the mechanical response also includes fatigue. The specific DesignLife module tool of nCode software is used and tested for the fatigue life assessment of the component. An improved design of the structure is obtained and verified based on all the obtained results.

L'industria dell'automobile è attualmente indirizzata verso la produzione di veicoli più leggeri, sicuri e più efficienti nel corso dell'attuale ventunesimo secolo e i successivi mediante l'applicazione di nuovi materiali più leggeri e con migliori prestazioni. I materiali ibridi, nei quali sono combinati diversi componenti, appartengono a una classe emergente molto interessante grazie alle sue grande applicazioni. Non ostante esistono delle sfide nella stima del danno nei materiali compositi in quanto in generale i materiali compositi sono disomogenei e anisotropi, cioè le loro proprietà fisiche possono variare all'interno di una struttura e essere fortemente direzionali. In questo lavoro di tesi, viene realizzato il progetto di una struttura ibrida di metallo polimerico, attraverso metodi di modellazione avanzati, che combinano simulazioni di processo e analisi strutturali ad elementi finiti non lineari. La struttura ibrida è composta di poliammide 66 caricata al 50% in massa con fibre di vetro corte (PA66GF50) e alluminio. Le simulazioni d'iniezione sono realizzate mediante il software Moldflow, ottenendo come risultato l'orientamento delle fibre all'interno del sub-componente polimerico, da cui dipende l'anisotropia del materiale. Le proprietà non lineari e l'anisotropia del polimero, funzione dell'orientamento fibre, sono ricavate mediante l'uso del software Digimat. L'accoppiamento con le simulazioni di processo permette di tenere conto dell'effetto dell'orientamento delle fibre sulla risposta meccanica della struttura. Per ottenere una stima del danno, l'inomogeneità e l'anisotropia del materiale devono essere tenute in considerazione sia nell'analisi strutturale ad elementi finiti (definisce la funzione carico-sforzo) che nell'analisi a fatica (definisce la relazione sforzo-vita a fatica) per avere la migliore corrispondenza possibile tra comportamento reale e simulazioni. La verifica del modello avviene in primis mediante simulazioni statiche generali e successivamente per mezzo di simulazioni quasi-statiche che prevedono l'ottimizzazione del parametri che definiscono il modello. L'analisi della risposta meccanica include anche la fatica. Nella valutazione della vita a fatica del componente, viene utilizzato e testato il modulo DesignLife del software nCode. Come esito, un disegno migliorato è ottenuto e validato in base ai risultati ottenuti.