Modeling of the mechanical behaviour of polymeric yarns: parameter calibration and homogenization

The thesis investigates the mechanical behaviour of polymeric yarns used as reinforcements in rubber composite materials, with a particular focus on rayon and polyester (PET) fibers, which are widely used in tyre production. In the initial phase of the study, the viscoelastic behaviour of the single and multi-ply yarns is analysed. Based on experimental data from uniaxial tensile tests provided by Pirelli Tyre S.p.A, the viscoelastic parameters of an anisotropic elasto-visco-plastic constitutive model are calibrated through parametric studies. Subsequently, the analysis is extended to the behaviour of the rubber composite material. Through analytical and numerical homogenization techniques, the equivalent elastic properties of the composite are determined, enabling its representation as a homogeneous material. This approach, though limited to the linear regime, offers a significant advantage by reducing computational costs compared to direct simulations on the composite structure. Numerical comparison validate the effectiveness of this representation in reproducing the mechanical response of the composite material in the initial elastic phase. Finally, to capture the experimentally observed locking of the stress-strain response of PET fibers, a non-linearity of the elastic behaviour is introduced. The new formulation, while including anisotropy, only requires one additional material parameter and allows to enhance the accuracy of the model predictions.

La tesi indaga il comportamento meccanico di filati polimerici utilizzati come rinforzi nei materiali compositi a base di gomma, con particolare attenzione alle fibre di rayon e poliestere (PET), ampiamente impiegate nella produzione di pneumatici. Nella prima fase dello studio, viene analizzato il comportamento viscoelastico dei filati singoli e multipli. Sulla base dei dati sperimentali provenienti da prove di trazione monoassiali fornite da Pirelli Tyre S.p.A., i parametri viscoelastici di un modello costitutivo elasto-visco-plastico sono calibrati attraverso studi parametrici. Successivamente, l’analisi viene estesa al comportamento del materiale composito a base di gomma. Tramite tecniche di omogeneizzazione analitiche e numeriche, vengono determinate le proprietà elastiche equivalenti del composito, che consentono la rappresentazione come materiale omogeneo. Questo approccio, seppur limitato al regime lineare, risulta particolarmente vantaggioso in termini di riduzione dell’onere computazionale rispetto alle simulazioni dirette sul composito. Il confronto numerico conferma l’efficacia di questa rappresentazione nel riprodurre la risposta meccanica del materiale composito nella frase elastica iniziale. Infine, per catturare il comportamento della risposta sforzo-deformazione sperimentalmente osservato nelle fibre di PET, viene introdotta una non-linearità nel comportamento elastico. La nuova formulazione, pur includendo l’anisotropia, richiede unicamente un parametro aggiuntivo del materiale e consente di migliorare l’accuratezza delle previsioni del modello.