Carbon-carbon laminate elastic properties identification

Carbon-Carbon is a generic designation for carbon-fiber, graphite-matrix composite materials. As such, they show very powerful characteristics in terms of high-temperature thermal and mechanical stress resistance and dimensional stability at higher temperatures and good tribological properties. For these reasons, nowadays they are extensively employed not only in aerospace industry, but also for racing applications, such as high-performance braking discs. This thesis is part of a partnership between the Politecnico di Milano Department of Aeronautical Science and Technology (DAER) and Brembo Racing, with the main focus on the study and development of Carbon-Carbon materials for brake discs applications. As they are a safety device, the braking discs cannot undergo failures, so a proper identification of material properties is of fundamental importance. Furthermore, due to low production volumes, and a deep focus on brakes’ development, often a re-identification of the material’s properties is required, which, on the other hand, is complex to perform trough analytic approaches. This thesis work focuses on the development of a FEM-based material identification routine, which must guarantee good reliability of results and good procedure repeatability. In the first part, some tensile tests on a Brembo disc-obtained specimens are carried, in order to obtain force-displacement curves that will be considered as a reference for the further treatment. Then, a first identification is carried, trough a statistic method, based on FEM analysis results, in order to have a reference identification for the latter development of the mentioned routine, due to the lack of information in literature about such material properties. Finally, a FEM-based routine has been developed. The routine is based on a multiple optimization process, based on the known value of the orientation angles of the specimens’ material: at each step, the orientation directions for the material are scaled, so that a new optimization process is started. In this way, the final point of a previous optimization step, is the initial guess for the following one. The starting point for the entire routine is found assuming the fibers completely aligned with the nominal direction of the specimen. The results obtained for different attempts of the routine, show that such procedure is able to correctly guide the optimization process towards the proper material properties. In fact, the previously-defined statistic approach confirms the results obtained from the routine. Furthermore, the so-defined optimizer-FEM is completely repeatable for an eventual new material property.

Carbon-Carbon è la generica designazione per i materiali compositi con fibra di carbonio e matrice grafitica. Come tali, mostrano caratteristiche molto favorevoli in termini di resistenza termica e meccanica a sollecitazioni termiche, stabilità dimensionale a temperature elevate e buone proprietà tribologiche. Per questi motivi, oggigiorno sono ampiamente impiegati non solo nell'industria aerospaziale, ma anche per applicazioni racing, come i dischi freno ad alte prestazioni. Questa tesi fa parte di una partnership tra il Dipartimento di Scienza e Tecnologia Aeronautica (DAER) del Politecnico di Milano e Brembo Racing, principalmente per studiare e sviluppare materiali Carbon-Carbon per le applicazioni dei dischi freno. Trattandosi di un dispositivo di sicurezza, i dischi del freno non possono subire fratture, perciò una corretta identificazione delle proprietà del materiale è di fondamentale importanza. Inoltre, a causa dei bassi volumi di produzione e di una profonda attenzione alla ricerca e sviluppo dei freni, è spesso necessaria una re-identificazione delle proprietà del materiale, che, d'altra parte, è complessa da eseguire attraverso approcci analitici. Questo lavoro di tesi si concentra sullo sviluppo di una routine di identificazione dei materiali basata su software di tipo FEM, che deve garantire una buona affidabilità dei risultati e una buona ripetibilità delle procedure. Nella prima parte vengono effettuati alcuni test di trazione su campioni prelevati dal disco Brembo, al fine di ottenere curve forza-spostamento che saranno considerate come riferimento per l'ulteriore trattamento. Quindi, una prima identificazione viene effettuata, attraverso un metodo statistico, basato sui risultati dell'analisi FEM, al fine di avere un'identificazione di riferimento per il secondo sviluppo della routine sopracitata, a causa della mancanza di informazioni in letteratura su tali proprietà del materiale. Infine, è stata sviluppata una routine basata su risolutori FEM. La routine si basa su un processo di ottimizzazione multipla, basato sul valore noto degli angoli di orientamento del materiale dei campioni: in ciascuna fase, le direzioni di orientamento del materiale vengono ri-determinate, in modo che venga avviato un nuovo processo di ottimizzazione. In questo modo, il punto finale di una precedente fase di ottimizzazione, è il punto di partenza per la successiva. Il punto di partenza per l'intera routine viene identificato assumendo le fibre completamente allineate con la direzione nominale del campione. I risultati ottenuti per diversi tentativi della routine, mostrano che tale procedura è in grado di guidare correttamente il processo di ottimizzazione verso le proprietà del materiale appropriate. In effetti, l'approccio statistico definito in precedenza conferma i risultati ottenuti dalla routine. Inoltre, l'ottimizzatore FEM così definito è completamente ripetibile per una eventuale nuova proprietà del materiale.