Material characterization of a flax fiber reinforced composite for crashworthiness applications

Natural fiber composites might represent an environmentally sustainable alternative to conventional solutions such as fiberglass and carbon fiber composites. The aim of this work is to perform a material characterization of flax-fiber reinforced composite material, so as to investigate both the static and dynamic mechanical performances for possible future crashworthiness applications. The specimens employed during experimental tests are composed by ampliTex 300 twill 2/2 fibers and IMP 503ZHT BC epoxy resin. Although a fabric material was considered, static tests were performed in order to examine the properties in both warp direction at 0° and weft direction at 90°. In detail, tensile, compressive, flexural and shear properties were achieved from static tests, while indentation, ballistic impact and tensile dynamic responses were analyzed to probe the crashworthiness features. In order to produce a representative numerical model of flax composite material, numerical activity was performed through the use of LS-DYNA software. The choice of suitable numerical elements and material card was accomplished so as to approximate both the mechanical performances and behaviour of the material. Eventually, a wide discussion about the results, further improvements and the future development of bio-composites was performed.

I materiali compositi costituiti da fibra di origine naturale possono rappresentare una alternativa ecosostenibile rispetto alle soluzioni attualmente offerte dal mercato, come compositi in fibra di vetro e fibra di carbonio. Lo scopo di questa tesi è quello di eseguire una campagna di test su un materiale in fibra di lino, al fine di analizzarne le sue caratteristiche meccaniche, sia a livello statico che dinamico, valutando possibili utilizzi in campo crashworthiness. I provini in composito utilizzati durante le prove sperimentali sono costituiti da fibre di lino ampliTex 300 twill 2/2 e resina epossidica IMP 503ZHT BC. Sebbene il materiale testato sia un tessuto, sono state eseguite prove indagando sia le prestazioni lungo la direzione 0° (ordito) che quelle lungo la direzione 90° (trama). Più in dettaglio, le proprietà di trazione, compressione, flessione e taglio sono state ottenute durante le prove statiche, mentre le proprietà dinamiche di indentazione, trazione e la risposta dinamica ad impatti ad alta velocità sono state analizzate al fine di approfondire le caratteristiche di resistenza agli urti. Un modello numerico del materiale è stato realizzato mediante l'utilizzo del software LS-DYNA, allo scopo di effettuare una indagine preliminare valutando le scelte di modellazione più idonee. In particolare, la scelta del tipo di elementi numerici, insieme alla scelta della scheda del materiale, sono state eseguite in modo da approssimare al meglio sia le prestazioni meccaniche che il comportamento del materiale durante i fenomeni di deformazione. I risultati sono stati discussi ampiamente, riportando anche i possibili miglioramenti attuabili al fine di migliorare le procedure di test. Infine, i possibili sviluppi futuri relativi ai materiali bio-compositi sono stati riportati.