Characterization of mechanical properties for woven carbon fiber composites and numerical modeling using LS-DYNA

The main objective of this thesis lies in the systematic investigation and analysis of the mechanical properties of the carbon fabric composite material weaved in 2x2 twill in terms of elastic constants and strength-related parameters by conducting quasi-static tests followed by numerical analysis using LS-DYNA. The derived characteristics will serve for the numerical analysis which aims to improve the compatibility between failures predicted by finite element analysis, such as delamination onset, and experimental observations. It will be achieved by utilizing the specific material card of LS-DYNA, which takes the three-dimensional strength properties as the input data. For this purpose, a variety of samples in carbon fabric was manufactured at the Department of Aerospace Science and Technology (DAER) at Politecnico di Milano, and a series of quasi-static tests, including tensile, compression, in-plane shear, 3-point bending, short-beam shear, and curved beam strength tests, were performed to evaluate the in-plane and out-of-plane behaviors. In the next stage, the experimental data was then rigorously analyzed to derive the intrinsic material properties. The obtained mechanical properties were integrated into LS-DYNA material cards with the aim of achieving more accurate simulation results that are coherent with experimental results. For this reason, two different thick shell element formulations with two different material cards were employed.

L'obiettivo principale di questa tesi risiede nell'indagine sistematica e nell'analisi delle proprietà meccaniche del materiale composito in tessuto di carbonio twill 2x2 in termini di costanti elastiche e parametri relativi alla resistenza, attraverso la conduzione di test quasi-statici seguiti da analisi numeriche utilizzando LS-DYNA. Le caratteristiche ottenute serviranno per l’analisi numerica, la quale mira a migliorare la compatibilità tra i fallimenti previsti via analisi agli elementi finiti, come l'inizio della delaminazione, e le osservazioni sperimentali. Quest’ultima sarà raggiunta impiegando la specifica scheda del materiale in LS-DYNA, che riprende le tridimensionali proprietà di resistenza come dati di ingresso. A questo scopo, presso il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali (DAER) del Politecnico di Milano, è stata realizzata una serie di campioni in tessuto di carbonio, successivamente sottoposti a una serie di test quasi statici, tra cui prove di trazione, di compressione, di taglio nel piano, di flessione, di taglio su trave corta e di resistenza su trave curva, al fine di valutarne il comportamento nel piano e fuori dal piano. Nella fase successiva, i dati sperimentali sono stati analizzati rigorosamente per ricavare le proprietà intrinseche del materiale. Le proprietà meccaniche derivate sono state incorporate nelle schede dei materiali di LS-DYNA con l'obiettivo di ottenere risultati di simulazione più precisi e coerenti con i risultati sperimentali. Per questa ragione, sono state impiegate due diverse formulazioni di elementi a guscio spesso con due differenti schede di materiali.