Characterization and regularization of tilt-rotor composite material for crash finite element model

This thesis addresses two primary objectives in modelling of composite materials for aerospace crashworthiness applications: characterizing the material model of a composite panel covering a portion of a tilt-rotor nacelle and regularizing the finite element model to reduce its mesh size dependency. The material model is characterized through tensile and compression tests, enabling accurate reproduction of experimental results, and then validated through penetration tests, which highlight the issue of mesh dependency. A novel regularization method is introduced to reduce mesh sensitivity in numerical simulations, particularly effective with composite materials. Unlike conventional techniques that modify strains, this approach parametrically adjusts failure stresses. The regularization process is able to effectively narrow the range of breaking forces across different mesh sizes, enhancing the predictive capability of numerical analyses. Further research opportunities include improving the quality of specimens for high-speed tensile tests to address tab failures and investigating strain rate dependency in the material model, as well as repeating three-point bending tests with standard specimen dimension. Additionally, the model should be revised regarding some anomalies encountered with 45° tensile tests. Furthermore, research opportunities exist to enhance the regularization method, particularly for models with varying mesh sizes, by considering alternative techniques and partitioning strategies. Ultimately, this work contributes to advancing the accuracy and reliability of numerical simulations for composite materials in engineering crashworthiness, with potential applications extending to other fields that rely on composite materials for structural analysis and design.

Questa tesi affronta due obiettivi principali nella simulazione dei materiali compositi per applicazioni di sicurezza passiva in ambito aeronautico: caratterizzare il modello del materiale di un pannello composito che ricopre una porzione della nacelle di un convertiplano e regolarizzare il modello a elementi finiti per ridurre la sua dipendenza dalla dimensione della mesh. Il modello è caratterizzato attraverso prove di trazione e compressione, consentendo una riproduzione accurata dei risultati sperimentali, e quindi validato attraverso test di penetrazione, che evidenzano il problema di dipendenza dalla mesh. Viene presentato un nuovo metodo di regolarizzazione per ridurre la sensibilità alla dimensione degli elementi nelle simulazioni numeriche, particolarmente efficace con materiali compositi. A differenza delle tecniche convenzionali che modificano le deformazioni limite, questo approccio modifica parametricamente gli sforzi di rottura. Il processo di regolarizzazione è in grado di ridurre efficacemente la dispersione delle forze di rottura tra diverse dimensioni di elementi, migliorando la capacità predittiva delle simulazioni. Ulteriori opportunità di ricerca includono il miglioramento della qualità dei campioni per prove di trazione ad alta velocità, al fine di evitare le rotture all'interno dei talloncini dei provini e consentire un'indagine sulla dipendenza dalla velocità di deformazione nel modello del materiale, oltre alla ripetizione dei test di flessione a tre punti con dimensioni standard dei provini. In aggiunta, il modello dovrebbe essere rivisto in relazione ad alcune anomalie riscontrate nei test di trazione a 45°. Inoltre, esistono opportunità di ricerca per migliorare il metodo di regolarizzazione, in particolare per modelli con mesh variabile, considerando tecniche alternative e strategie di partizione più efficaci. In definitiva, questo lavoro contribuisce a migliorare l'accuratezza e l'affidabilità delle simulazioni numeriche per materiali compositi nella sicurezza passiva, con potenziali applicazioni che si estendono ad altri campi che fanno affidamento su materiali compositi per l'analisi e la progettazione strutturale.