Bio-inspired thin-ply composites for bearing applications

This thesis investigates the thin-ply bio-inspired composite structures, also known as Bouligand structures, characterized by helicoidal lay-ups, focusing on their mechanical properties and failure behaviour in the presence of notches and in bolted joints, which are of particular interest in the aerospace field. Bouligand laminates made of carbon fibers and epoxy matrix were fabricated, with ply thicknesses of 30 μm and 60 μm, and angle variation between adjacent layers below 5°. These laminates were compared with conventional composites currently used in bolted joints, known as Load Introduction structures, which feature lay-ups with layers oriented at 0°, ±45° and 90°. Mechanical properties and failure mechanisms were analyzed through mechanical tests, including unnotched tensile test, open-hole tensile test, and bearing test. Additionally, a finite element analysis (FEA) of a representative volume element provided further insights into the effects of varying ply thickness and interlayer angles. The results indicate that Bouligand laminates exhibit more ductile and progressive failure mechanisms compared to Load Introduction laminates, yielding helical matrix cracking and reduced delamination. Furthermore, these structures are less sensitive to the presence of notches, distributing stress concentrations more effectively due to the small interlayer angles. These observations suggest that employing thin-ply composites with helicoidal lay-up configurations may enhance safety in bolted joints by preventing the brittle failures typical of composites.

Questa tesi analizza strutture composite bio-ispirate, note anche come strutture Bouligand, caratterizzate da lay-up elicoidale e strati sottili, focalizzandosi sulle proprietà meccaniche e sui meccanismi di cedimento in presenza di intagli e nelle giunzioni con bullone, ambiti di particolare interesse nel settore aerospaziale. Sono stati realizzati laminati Bouligand composti da fibre di carbonio e matrice epossidica, con strati di spessore pari a 30 μm e 60 μm e angoli di rotazione tra gli strati inferiori a 5°. Questi laminati sono stati confrontati con compositi attualmente utilizzati nelle giunzioni, noti come strutture Load Introduction, caratterizzati da lay-up con strati orientati di 0°, ±45° e 90°. Le proprietà meccaniche e i meccanismi di cedimento sono stati analizzati tramite test meccanici, quali prove di trazione, test a trazione su provini con foro (open hole tensile test) e test a trazione in presenza di un bullone (bearing test). Inoltre, un'analisi agli elementi finiti (FEA) su un volume rappresentativo ha fornito ulteriori dettagli sull'impatto della variazione di spessore e angolazione degli strati. I risultati mostrano che le strutture elicoidali presentano meccanismi di cedimento più duttili e progressivi rispetto ai laminati Load Introduction, cedendo con rottura della matrice tramite cricche elicoidali e diminuendo il meccanismo di delaminazione. Inoltre, queste strutture risultano meno sensibili alla presenza di intagli, distribuendo le concentrazioni di stress in modo più uniforme grazie alla piccola variazione di angoli tra gli strati. Queste evidenze suggeriscono che l'adozione di materiali compositi con strati sottili e lay-up elicoidale può migliorare la sicurezza nelle giunzioni con bullone, evitando le rotture fragili tipiche dei compositi.