Analisi e sviluppo di metodi numerici per la delaminazione in strutture in composito

The present work aims to study and compare methods, already implemented in the major commercial codes for the analysis of crack onset and growth in composite aerospace structures. The genesis of such work comes out by the need to obtain references, suitable to the certification process and useful to verify structural strength of components in case of manufacturing defects or damage during operational life. The work was carried out under the coordination of the analysis methods group in the Airframe unit of Alenia Aeronautica at its plant in Pomigliano d'Arco, with the help of the Experimental Laboratory of the same plant. The work is composed of a first experimental part, in which tests were performed for the characterization of the specimens in terms of Mode I and Mode II fracture toughness. This task was followed by a numerical analysis, carried out with the aid of finite element software, MD Nastran 2010. Within this task, the tests were simulated and compared with experimental data in order to validate the different methodologies used within. Then, these methods have been used to analyze a panel in composite material. The analyzed methods derive from the energetic formulation of Virtual Crack Closure Technique (VCCT), which has been implemented in different ways, and from the constitutive laws of the cohesive interface elements. Regard to VCCT, two techniques have been compared. The first one has been implemented by MD Nastran and the second one was an approach already used in the aeronautical field. The objective of the task is to analyze both results obtained by MD Nastran and those one obtained by the method already validated and to compare them with experimental data. Furthermore, this work allowed verifying that methods implemented in MD Nastran simulate adequately the delamination onset both on specimens loaded in pure mode and on structural components subjected to mixed mode. It was also verified that the inclusion of reinforcing components, such as arrest fasteners, are effective in terms of lowering the deformation energy calculated by various methods.

Il presente lavoro di tesi si pone come obiettivo lo studio e la comparazione di metodologie già implementate nei maggiori codici commerciali per quanto riguarda l'analisi dell'innesco e della propagazione della delaminazione in strutture aeronautiche realizzate in materiale composito. La necessità di tale lavoro è motivata dall'esigenza di ottenere riferimenti, applicabili durante il processo di certificazione, per verificare la resistenza strutturale dei componenti in presenza di difetti di fabbricazione o danni subiti durante la vita operativa. Il lavoro si è svolto sotto il coordinamento del gruppo di Metodi di Analisi dell'unità di Aerostrutture di Alenia Aeronautica presso lo stabilimento di Pomigliano d'Arco, con l'ausilio del Laboratorio Sperimentale dello stesso stabilimento. Il lavoro si è composto di una prima parte sperimentale, nella quale sono state effettuate le prove per la caratterizzazione dei provini in termini di tenacità a frattura di Modo I e Modo II. A questa ha fatto seguito una parte numerica, svolta con l'ausilio del software ad elementi finiti MD Nastran 2010, nella quale sono state simulate le prove effettuate sperimentalmente e confrontati i risultati al fine di validare le diverse metodologie applicate. Tali metodologie sono state infine utilizzate per analizzare un pannello nervato in materiale composito caricato a compressione. Le metodologie prese in considerazione derivano dalla formulazione energetica della Virtual Crack Closure Tecnique (VCCT), implementata in differenti modalità nelle metodologie utilizzate, e dagli elementi coesivi di interfaccia a partire dalla legge costitutiva del materiale. Per la VCCT in particolare, sono state messe a confronto la tecnica presente in MD Nastran con una metodologia già utilizzata in campo aeronautico. L'obiettivo è stato quello di analizzare i risultati ottenuti con MD Nastran rispetto a quelli del metodo già validato e rispetto ai dati provenienti da prove sperimentali effettuate. Il lavoro effettuato ha permesso di verificare che i metodi implementati in MD Nastran sono in grado di simulare in maniera adeguata l'innesco della delaminazione sia a livello di provini caricati in modalità pura, che di componenti strutturali sottoposti a carichi in modalità mista. Si è inoltre verificato che l'inserimento di componenti di rinforzo, come dei bulloni, risultano efficaci in termini di diminuzione dell'energia di deformazione calcolata con i vari metodi.