Failure analysis of a carbon-carbon brake disc: experimental and numerical investigation

Carbon-carbon (CC) materials, composed of carbon fibers within a graphite matrix, offer outstanding thermal resistance, low expansion, and excellent tribological properties, making them ideal for high-performance braking systems in aerospace and motorsport. Given their structural importance, accurate numerical tools are needed to simulate their mechanical behavior and damage evolution. This thesis focuses on the experimental and numerical characterisation of a CC brake disc tested on a static bench at the Politecnico di Milano. Discs with strain gauges and a rotary encoder were used to measure both local deformation and overall rotation, allowing torque-rotation curves to be constructed for each test. These results supported the development of a finite element model of the test bench. The disc’s orthotropic elastic behavior was first calibrated to match the linear response, then it was introduced a progressive damage model was fitted to capture nonlinear degradation. The damage law was tuned to reflect the behavior of disc material when damaged. The final numerical model reproduces the torque-rotation behaviour observed experimentally and allows predictive simulations under variable load conditions. This work provides a validated reference framework for assessing the structural integrity of CC brake discs, integrating experimental data and damage modelling.

I materiali carbon-carbon (CC), costituiti da fibre di carbonio immerse in una matrice grafitica, offrono un’eccellente resistenza termica, un basso coefficiente di espansione termica e ottime proprietà tribologiche, rendendoli ideali per sistemi frenanti ad alte prestazioni in ambito aerospaziale e motorsport. Data la loro rilevanza strutturale, è fondamentale disporre di strumenti numerici affidabili per simulare il comportamento meccanico e l’evoluzione del danneggiamento. La caratterizzazione sperimentale e numerica di un disco freno CC testato su un banco di prova statico presso il Politecnico di Milano è al centro di questa tesi. Per ogni prova sono state ottenute curve coppia-rotazione utilizzando dischi con estensimetri e un encoder rotativo per misurare sia la rotazione complessiva che le deformazioni locali. Partendo dalla base dei risultati sperimentali è stato sviluppato un modello completo del banchetto, in cui nella fase iniziale è stato tarato il comportamento elastico per riprodurre la rigidezza sperimentale e successivamente, è stata applicata una legge di danneggiamento progressivo per rilevare il danneggiamento del disco. Il modello finale ottenuto è in grado di riprodurre le modalità di danneggiamento, le zone critiche di rottura del disco e la rigidezza osservata sperimentalmente fornendo complessivamente un quadro ottimale per valutare l’integrità strutturale dei dischi freno in CC.