Damage evolution in curved composite laminates : experimental and numerical approaches

In the present thesis, the damage evolution in curved composite laminates was investigated. In particular, 90° curved specimens were considered. In the preliminary phases of the work, a statistical analysis was performed. The objective of such analysis was studying the statistical distribution of the failure loads as functions of the statistical distribution of the elastic properties and strengths of the selected material. Two main different environmental conditions were taken into account. An automatized procedure was developed to this aim and three different stacking sequences were considered. Thanks to this, it was possible to design an experimental test and to choose a particular stacking sequence to be tested, with the objective of possibly inducing different failure modes in the specimen. In the context of the damage tolerance design philosophy, the final aim of the experimental activity was, indeed, the one of investigating the residual strength and the damage tolerance of such structural elements. Three tests on specimens characterized by a selected stacking sequence were performed, in order to create a database that allowed to investigate the variability of failure loads and failure modes. All the specimens showed, after the test, evidence of the presence of intralaminar and interlaminar damage, confirming what was predicted by the linear statistical analyses, which also provided a quite good estimation of the failure loads. A novel non linear technique, which has the capability to model the interlaminar and intralaminar matrix-dominated composite response, was finally adopted to model the interlaminar damage evolution in the tested specimens. In the work developed in this thesis, such technique was applied for the first time to polymeric composite materials with a multidirectional stacking sequence. The final results showed that the proposed technique is quantitatively able to detect the failure loads and the residual strength in the specimens considered. In order to better detect the real failure modes exhibited during the tests, the introduction of the intralaminar damage evaluation is required.

Nella presente tesi si è posta attenzione sull'evoluzione del danno in laminati curvi. In particolare sono stati considerati provini curvi con un angolo di apertura di 90°. Nella fase preliminare del lavoro é stata effettuata un'analisi statistica con il principale scopo di studiare la variazione dei carichi a rottura in funzione della variazione delle proprietà del materiale scelto per la realizzazione dei provini stessi. A tal fine sono state considerate tre diverse sequenze di laminazione e due diverse condizioni ambientali. E’ stata quindi implementata una routine per automatizzare la procedura. Tramite tali analisi preliminari è stato possibile selezionare una sequenza di laminazione di particolare interesse per la successiva attività sperimentale. Nell'ambito della filosofia di progetto damage tolerance, l'obiettivo di tale attività sperimentale è stato quello di investigare la resistenza residua e la tolleranza al danno dei provini. Sono stati effettuati tre test sui provini selezionati, grazie ai quali è stato possibile osservare una certa variabilità dei carichi di rottura e delle modalità di cedimento. Tutti i provini hanno infatti manifestato la presenza di danni sia interlaminari che intralaminari, confermando i risultati dell'analisi statistica preliminare. Quest'ultima ha fornito inoltre una stima accettabile dei carichi di rottura. E’ stata infine adottata una tecnica di modellazione non lineare in grado di simulare, tramite una singola legge costitutiva, l'evoluzione del danno interlaminare e di quello intralaminare. Essa è stata tuttavia impiegata solamente per la modellazione del danno interlaminare. La tecnica sopracitata è stata applicata per la prima volta nella presente tesi a materiali compositi a matrice polimerica con sequenze di laminazione multidirezionali. I risultati ottenuti hanno mostrato la capacità di tale metodologia di ricostruire in maniera abbastanza accurata la resistenza residua dei provini considerati. Con lo scopo di cogliere con maggiore accuratezza la reale modalità di rottura, sarà tuttavia necessario introdurre anche la modellazione del danno intralaminare.