Tessuti compositi in fibra di carbonio : modelli teorici e validazione sperimentale con tecniche NDT

This Thesis deals with the study of mechanical properties and damage modes of textile composites, focusing particularly on carbon fiber ones, better known as CFRP (carbon fiber reinforced plastic). The aim of this work is to develop a model for the prediction of the mechanical properties of these materials, on the basis of previously developed theoretical work. The outcome will be used to develop other models, capable of predicting the onset of damage. The main modeling techniques for textile composites exploit fabric periodicity to predict the material elastic properties and to model local damage. The representative elementary volume approach, that is the smallest portion of fabric that can be isolated in order to reproduce the entire weave by means of simple translation, is followed in order to represent the whole laminate. The theoretical hypoteses, the validity conditions and the limitations of this methodology are considered in order to introduce the theoretical models developed in the following chapters. At first, the implementation of an analytical model is presented, which is able to predict the elastic properties of a textile composite starting from its fundamental constituents: fibers and polymeric matrix. This model is used to study the material progressive damage and is extended to multidirectional laminates. Subsequently, a finite element numerical model of the representative volume is developed in order to calculate the elastic properties of the material. The method is slightly different from the ones available in the literature and can easily be implemented in finite element codes. Finally, both models have been experimentally validated by means of specimens obtained from laminate panels. During the experimental tests some nondestructive control techniques, commonly used for composites, such as thermography and acoustic emission, have been used.

Il presente lavoro di tesi si occupa dello studio delle proprietà meccaniche e delle forme di danneggiamento dei tessuti compositi, con particolare riferimento a quelli in fibra di carbonio, meglio noti come CFRP (carbon fiber reinforced plastic). Lo scopo del lavoro è quello di sviluppare un modello per la previsione delle proprietà meccaniche di questi materiali, sulla base di lavori teorici precedentemente sviluppati e che serva come base per la realizzazione di altri modelli che consentano di prevedere l'imminente danneggiamento in seguito ai carichi applicati. L'approccio seguito è quello di rappresentare l'intero laminato per mezzo del volume elementare, cioè la più piccola porzione di tessuto che è possibile isolare, tale da riprodurre l'intero tessuto per mezzo di sole traslazioni. Sono valutate le basi teoriche, le condizioni di validità e i limiti di applicazione di questa metodologia, in modo da fornire una giustificazione per i modelli teorici sviluppati nei capitoli successivi. Inizialmente, è presentata l'implementazione di un modello analitico che consente di calcolare le proprietà elastiche di un tessuto composito a partire dalle proprietà dei costituenti fondamentali: le fibre e la matrice polimerica. Questo modello è utilizzato come base per affrontare il danneggiamento progressivo del materiale ed è poi esteso ai laminati multidirezionali. In seguito, è stato sviluppato un modello numerico a elementi finiti del volume elementare, utilizzando quest'ultimo per calcolare le proprietà elastiche del materiale, seguendo un approccio parzialmente diverso da quello utilizzato nella letteratura. Infine, entrambi i modelli sono stati validati sperimentalmente per mezzo di provini ricavati da pannelli laminati. Durante le prove sperimentali sono state utilizzate alcune tecniche di controllo non distruttivo, impiegate comunemente per i materiali compositi, come la termografia e l'emissione acustica. I risultati ricavati da alcune di queste tecniche sono serviti per studiare le modalità di danneggiamento del materiale a differenti livelli di carico.