Assessment of strength criteria for ceramic matrix composites developed through a multi-scale approach

In the aeronautical and space fields, it is becoming increasingly important the research and the study of new materials with high-performances that have high toughness, high resistance at high temperatures and excellent resistance to oxidation. The ceramic matrix composites (CMC) possess this properties, therefore they are acquiring more and more credit especially because they can play a structural role in a technologically complex environment like in space. The thesis’s work falls within the final phase of the project AM3aC2A of Politecnico di Milano and, in the sense of the multi-scale approach, it has the objective to define simple numerical models for the structural analysis of real assembles, components and sub-components without executing complex analysis that would have required an elevated computational cost. For this reason, starting from previous detailed results for CMC, a non-linear bi-phasic model of the material is utilized to build a simple plate laminate for the execution of virtual loading test. This procedure was employed with the aim to extract the allowables of the material and to calibrate an in-plane failure criterion, based on the Tsai-Wu criterion. An assessment of the criterion was carried out through various and combined loading conditions, in order to verify its correct functioning. Later, with the construction of a linear curved wedge model and with the support of its experimental test and non-linear analysis, it was extrapolated from the results new allowables for the material used for the definition of new tridimensional failure criterion, always based on the general Tsai-Wu criterion. In the end, this two tools obtained were applied to a real component: an omega-shaped stringer joined with a panel, which is part of the sub-structure of the nose of the Esa Space Rider. Through linear analysis, with the implementing of the two criteria, it was predicted the possible failures of component and it was verified the correlation of the numerical test with the experimental one.

Nel campo spaziale e aeronautico, assume sempre più importanza la ricerca e lo studio di materiali sempre più performanti ovvero con elevata tenacità, in grado di resistere ad altissime temperature e che hanno un’ottima resistenza all’ossidazione. I compositi a matrice ceramica (CMC) hanno tutte queste proprietà; pertanto, stanno acquisendo sempre più credito soprattutto perché in grado di ricoprire un ruolo strutturale in un ambiente tecnologicamente complesso come quello nello spazio. Il lavoro della tesi rientra all’interno delle fasi conclusive progetto AM3aC2A del Politecnico di Milano e, nell’ottica di un approccio multiscala, ha l’obiettivo di definire semplici modelli numerici per l’analisi strutturale di assemblaggi, componenti e sottocomponenti reali, senza eseguire complesse analisi numeriche che richiederebbero un elevato costo computazionale. Per questo motivo, partendo da precedenti dettagliate analisi dei CMC, si è utilizzato un modello non-lineare bifasico di questo materiale per costruire un modello semplice di piastra laminata per condurre prove di carico virtuali. Questa procedura è stata eseguita con lo scopo di estrarre degli ammissibili del materiale e tarare un criterio di rottura nel piano, sulla base del criterio di Tsai-Wu. Un collaudo del criterio è stato svolto, attraverso differenti e combinate prove di carico, per verificarne il corretto funzionamento. In seguito, attraverso la costruzione di un modello lineare di un cuneo curvato e con il supporto di prove sperimentali e analisi non-lineari dello stesso, si è estratto dai risultati nuovi ammissibili del materiale per calibrare questa volta un criterio di rottura tridimensionale, sempre sulla base del criterio di Tsai-Wu. Infine, questi due strumenti numerici ottenuti sono stati applicati ad un componente reale: un corrente a forma di omega unito ad un pannello che fa parte della sottostruttura del naso del ESA Space Rider. Attraverso analisi lineari, con implementati i due criteri di rottura, si è andato a prevedere le possibili rotture del componente e verificare la correlazione della prova numerica con le prove sperimentali.