Assessment of an analysis approach to ceramic matrix composite structures: test design and application of a multi-scale procedure

The development of re-usable vehicles and hot structures in the space field requires the introduction of new materials. Ceramic matrix composites are a class of material which present high resistance at high temperatures, high toughness, and excellent resistance to oxidation. For this reason they can play a structural role even at high temperatures and resist to the extreme space environment. The aim of this thesis is to design experimental tests on ceramic matrix composites (CMC) and ultra-high temperature ceramic matrix composites (UHTCMC) in the context of a building block approach, and the definition of the Tsai Wu criterion for CMC through virtual analysis performed with a nonlinear biphasic model of the material. Indentation tests on UHTCMC disks are designed to obtain multi-axial stress state on the material. A combination of σ11 and σ22 at the bottom of the disks is obtained, with a stress ratio σ11/σ22 high enough to develop nonlinearities at failure. An open hole tensile tests is numerically analyzed for UHTCMC to have a preliminary evaluation on the stress concentration for different lamination sequences. This test is important to study stress concentration mechanisms in presence of a drilled section. For the calibration of numerical tools and failure criteria in macroscale models of CMC, a three-point bending test on a simplified version of the Space Shuttle leading edge is designed. Load introduction structures and reinforcements reduce the risk of undesired failures in connection zones, while a tapering drives the onset on failure in the central part of the panel. A nonlinear bi-phasic model of CMC is then used to set up virtual tests on a [0]16 laminate to calibrate a Tsai Wu failure criterion for the material. The criterion is applied to linear models of [0/45]4S and [+30/-30]4S laminates and good correlation with the results of nonlinear model is obtained.

Lo sviluppo di veicoli riutilizzabili e hot structures nell’industria spaziale richiede l’introduzione di nuovi materiali. I compositi a matrice ceramica sono materiali che presentano elevate resistenze ad alte temperature, elevata tenacità e un’ottima resistenza all’ossidazione. Per questo motivo posso svolgere un ruolo strutturale anche ad elevate temperature e resistere all’ambiente spaziale. L’obiettivo della tesi è quello di progettare test sperimentali su compositi a matrice ceramica (CMC) e compositi a matrice ceramica per temperature ultraelevate (UHTCMC) nel contesto di un approccio multi scala, e definire un criterio di Tsai Wu per il CMC attraverso analisi virtuali condotte con un modello del materiale bifasico non lineare. Test di indentazione su dischi in UHTCMC sono progettati per ottenere uno stato di sforzo multi-assiale sul materiale. Si ottiene una combinazione di σ11 e σ22 alla base del disco, con un rapporto tra gli sforzi σ11/σ22 abbastanza alto da aver sviluppato non linearità quando avviene la rottura. Una prova di trazione su una piastra forata di UHTCMC è analizzata numericamente per avere una valutazione preliminare della concentrazione di sforzo per diverse sequenze di laminazione. Questo test è importante per studiare i meccanismi di concentrazione degli sforzi che avvengono in presenza di un foro. Per la calibrazione di strumenti numerici e criteri di rottura per modelli di larga scala in CMC, una prova di flessione a tre punti di una versione semplificata del bordo d’attacco dello Space Shuttle è progettata. Le strutture di introduzione del carico e i rinforzi riducono il rischio di rotture indesiderate nelle zone di connessione, mentre una rastremazione guida l’insorgenza della rottura verso il centro del pannello. Un modello bifasico non lineare del CMC è poi usato per condurre test virtuali su un laminato [0]16 per calibrare un criterio di rottura di Tsai Wu per questo materiale. Il criterio è poi usato per modelli lineari di laminati [0/45]4S e [+30/-30]4S, ottenendo una buona correlazione con i risultati del modello non lineare.