Numerical and experimental characterization of composite materials

The following work addresses the problems of the characterization of composite materials which are a class of materials widely used in the aeronautical field. Two materials have been investigated: T700/3900-2 plain weave fabric and T800/3900 unidirectional tape. For each material, a test campaign consisting of standard static (tensile, compressive, shear and flexural) and dynamic (tensile) tests has been carried out and then each test has been reproduced in the finite element code LS-Dyna. Unlike the common practice, the material parameters have been identified by employing an optimization procedure implemented in the commercial software LS-Opt, with the idea of finding a set of parameters for which the simulated material behaviour would be equal to the real one. A benchmark study was first conducted, aiming to find the best performing optimization technique. Then, the identification has been performed in two stages: in the first one, data from tensile and compressive static tests with different material orientations (0°, 45°, 90°) has been used. Finally, a second stage involving static three-point-bending tests data has been carried out to further improve the numerical material response. Following the building block approach, the material parameters thus obtained have been employed in the numerical model of a real wing sub-component, which structural response was previously tested through a three-point-bending test. The results show that the chosen material model with optimized parameters can replicate the real material behaviour with good agreement from a global point of view.

Il seguente lavoro è volto a presentare le problematiche che riguardano la caratterizzazione di materiali compositi, i quali sono largamente impiegati in campo aeronautico. La caratterizzazione ha riguardato due differenti tipologie di fibre di carbonio: un tessuto T700/3900 e un unidirezionale T800/3900, entrambi impiegati nella realizzazione dell’ala del convertiplano AW609. Entrambi i materiali sono stati inclusi in una campagna di test standardizzati, sia statici (trazione, compressione, taglio e flessione) che dinamici (tensione), impiegando successivamente il codice ad elementi finiti LS-Dyna per replicare numericamente ciascuna prova. Diversamente dalla pratica comune, i parametri dei materiali da impiegare nel codice numerico sono stati ricavati attraverso una procedura di ottimizzazione implementata attraverso il software LS-Opt, basata sul concetto di identificare un set di parametri tali per cui il comportamento simulato del materiale equivalga a quello del materiale reale. In prima battuta è stato eseguito uno studio al fine di determinare una procedura di ottimizzazione robusta ed efficace. Successivamente l’identificazione dei parametri è stata svolta in due passaggi: nel primo si sono impiegati i dati provenienti dai test statici a trazione e compressione di entrambi i materiali, con provini aventi diverse direzioni di orientamento del materiale (0°,45°,90°). Infine, nel secondo passaggio i dati delle prove di flessione sono stati utilizzati per affinare ulteriormente i parametri di materiale. Seguendo il building block approach, i parametri così identificati sono stati utilizzati in un modello numerico di un componente dell’ala del velivolo AW609, il quale è stato testato mediante flessione a tre punti. I risultati finali mostrano come i parametri ottenuti attraverso il processo di identificazione studiato, unitamente al modello di materiale scelto, siano in grado di replicare con buona fedeltà il comportamento del materiale. La procedura di identificazione è ritenuta idonea alla caratterizzazione di materiali compositi e potrà essere impiegata come base per sucessivi studi.