A bi-phasic model for damages and failures of ceramic matrix composites

Aerospace and military applications require the development of innovative and advanced technologies. A significant role is played by the ceramic matrix composite, (CMC), materials. In fact, they present high resistance at high temperatures, high toughness, and excellent resistance to oxidation. Therefore, the goal of this thesis is the formulation of numerical models capable of describing the behavior of such materials. In this regard, a bi-phasic approach is developed and treated, which allows to split the CMC into a fiber- and matrix-phase. A possible solution for the characterization of the two phases in terms of engineering constants and damage laws are faced by presenting the development of decomposition and calibration algorithms. The formulation of two-dimensional models demonstrates how the bi-phasic approach and the implemented damage laws can describe the behavior of the material in both the linear and non-linear fields. The effects of possible interlaminar and intralaminar damages and the analysis of the failure mechanisms for the considered lay-up sequences are considered exploiting the formulation of three-dimensional numerical models. The obtained results and the numerical-experimental correlation demonstrate how the bi-phasic approach and the implemented damage laws represent valid tools for modeling the linear and non-linear responses and the failure mechanisms of ceramic matrix composite materials.

Lo sviluppo tecnologico in campo aeronautico e spaziale ha portato alla ricerca di materiali sempre più performanti. Un ruolo di rilevante importanza è ricoperto dai materiali compositi a matrice ceramica. Infatti, essi presentato elevate resistenze alle alte temperature, elevate tenacità e un’ottima resistenza all’ossidazione. Pertanto, l’obbiettivo di questa tesi è la formulazione di modelli numerici in grado di poter descrivere il comportamento tali materiali. A tal proposito viene sviluppata la trattazione dell’approccio bi-fasico, che consente la suddivisione del CMC in una fase fibra e una fase matrice. Una possibile soluzione per la caratterizzazione delle due fasi in termini di costanti ingegneristiche e leggi di danno vengono affrontate presentando lo sviluppo di algoritmi di decomposizione e calibrazione. La formulazione di modelli bidimensionali dimostra come l’approccio bi-fasico e le leggi di danno implementate sono in grado di descrivere in maniera coerente il comporta mento del materiale sia nel campo lineare, che in quello non lineare. Gli effetti di possibili danni interlaminari e intralaminari e l’analisi dei meccanismi a rottura per le sequenze di laminazione considerate vengono presi in considerazione attraverso la formulazione di modelli numerici tridimensionali. I risultati ottenuti e la correlazione numerico-sperimentale dimostrano come l’approccio bi-fasico e le leggi di danno implementate costituiscono un valido strumento per modellare la risposta lineare, non lineare e i meccanismi di rottura dei materiali compositi a matrice ceramica.