Computational modelling and numerical analysis of a glass fiber-reinforced Sylgard 184 soft composite

This thesis presents a numerical study on the mechanical behaviour of a continuous glass fibers-polydimethylsiloxane (PDMS) soft composite. A homogenization approach was adopted assuming a statistical homogeneous distribution of the reinforcements. This allowed to consider a finite element model of a representative volume element (RVE), which is the smallest volume containing all the information needed to completely describe the microstructure of the composite. In this work, the unidirectional lamina is assumed as a heterogeneous medium with a periodic microstructure. Therefore, periodic boundary conditions (PBCs) are here enforced on the RVEs to simulate the macroscopic mechanical response of the equivalent homogenized material. Different types of finite element models have been developed to compare the results of the simulations to the experimental elastic properties of the laminates with various fiber volume fractions. The initial modelling of the reinforcing effect on the elastomeric matrix was based on its stiffening due to local confinement through biphasic and triphasic systems. Parametric analyses were conducted to evaluate the impact of the elastic modulus and Poisson’s ratio of the matrix and fiber-matrix interphase on the accuracy of the numerical predictions. The second part of the thesis focuses on evaluating the in-plane shear modulus of the composite through lap shear tests. Additionally, the concept of low mobility rubber is introduced and the hyperelastic behaviour of the matrix is implemented in both the biphasic and the triphasic systems through different constitutive models. This study presents an in-depth analysis of the fiber-matrix interphase and its impact on the macroscopic response of fiber-reinforced elastomers.

Questa tesi presenta uno studio numerico sul comportamento meccanico di un composito morbido a fibre di vetro continue e polidimetilsilossano. Un approccio di omogeneizzazione è stato adottato ipotizzando una distribuzione statistica omogenea degli elementi di rinforzo. Ciò ha permesso di considerare un modello agli elementi finiti di un elemento volumetrico rappresentativo, il quale è il più piccolo volume che contiene tutte le informazioni necessarie per descrivere completamente la microstruttura del composito. In questo lavoro, la lamina unidirezionale viene considerata come un mezzo eterogeneo avente una microstruttura periodica. Di conseguenza, delle condizioni al contorno periodiche vengono qui applicate agli elementi volumetrici rappresentativi per simulare la risposta meccanica macroscopica del materiale equivalente omogeneizzato. Diversi tipi di modelli agli elementi finiti sono stati sviluppati per confrontare i risultati delle simulazioni con le proprietà elastiche sperimentali dei laminati con varie frazioni volumetriche di fibra. La modellazione iniziale del fenomeno di rinforzo sulla matrice elastomerica si è basata sul suo irrigidimento dovuto al locale confinamento attraverso sistemi bifasici e trifasici. Delle analisi parametriche sono state condotte per valutare l’impatto del modulo elastico e del rapporto di Poisson della matrice e dell’interfase fibra-matrice sull’accuratezza delle predizioni numeriche. La seconda parte della tesi si concentra sulla valutazione del modulo di taglio in piano del composito attraverso delle prove di lap shear. In aggiunta a ciò, si introduce il concetto di gomma a bassa mobilità ed il comportamento iperelastico della matrice viene implementato nei sistemi bifasici e trifasici attraverso modelli costitutivi differenti. Il seguente studio presenta un’analisi dettagliata dell’interfase fibra-matrice e del suo impatto sulla risposta macroscopica degli elastomeri fibro-rinforzati.