A coupled compaction-interface friction model for defect prediction in composite manufacturing

Inter-ply slip plays a key role during composite manufacturing. It influences defects formation the geometric accuracy of the final part. The interfacial response is influenced by multiple processing parameters, along with the sliding history of the material. This behavior is typically characterized through friction tests and the outcome is transformed into a constant friction coefficient for specific processing conditions. Most models also don't consider the influence of the material's consolidation state on the interfacial response. As a result, their applicability to different manufacturing scenarios is limited. This thesis develops a constitutive model for inter-ply friction and implements it in a finite element framework using Abaqus/Standard. The model is based on experimental data from Hexcel AS4/8552 thermoset prepreg material at known consolidation state. In addition to standard processing parameters, it incorporates the evolving consolidation state of the plies. This is achieved through a hyper-viscoelastic formulation that predicts how consolidation progresses during manufacturing. The results show that allowing interface properties to evolve with consolidation enables the model to reproduce the interfacial behavior observed in experiments, while reducing the need for extensive testing under different conditions. Validation through an autoclave manufacturing study of L-shaped components demonstrates good agreement between simulations and measurements, providing a solid basis for further development and broader application of the approach.

Lo scorrimento relativo tra due lamine adiacenti di materiale composito è un meccanismo di deformazione chiave durante la fabbricazione di componenti con geometrie complesse e influenza la formazione di difetti e la geometria finale del pezzo. Il comportamento dell'interfaccia è influenzato da molteplici parametri di processo e da quanto l'interfaccia si è mossa. Nella pratica attuale il comportamento viene caratterizzato tramite test di scorrimento da cui si estrae un coefficiente di attrito costante. La maggior parte dei modelli, oltretutto, non considera l'influenza dello stato di consolidamento del materiale sulla risposta dell'interfaccia, limitando così la loro applicabilità a scenari di fabbricazione diversi. Questa tesi sviluppa un modello costitutivo di interazione tra lamine e lo implementa all'interno di un framework agli elementi finiti (Abaqus/Standard). Il modello è basato sui dati sperimentali ottenuti con il prepreg termoindurente unidirezionale Hexcel AS4/8552 a un noto livello di pre-consolidamento e tiene esplicitamente conto dello stato di consolidamento del materiale insieme ai parametri di processo convenzionali. La formulazione utilizza una descrizione iperviscoelastica delle lamine di prepreg nelle condizioni di manifattura per calcolare l'evoluzione dello stato di consolidamento del materiale. Il modello proposto riproduce la risposta sperimentale e dimostra la fattibilità di definire una condizione di interfaccia che evolve con lo stato del materiale, riducendo così la necessità di un'ampia caratterizzazione sperimentale che riproduca le svariate condizioni di manifattura possibili. Un caso relativo alla fabbricazione di sezioni a L in autoclave viene studiato e si mostra un buon accordo tra predizioni numeriche e misure sperimentali, fornendo una base per ulteriori validazioni ed estensioni del modello.