Modeling of delamination in composite structures under static and fatigue loading

This thesis investigates delamination in composite structures using analytical and numerical models. Delamination is one of the most common types of damage in composite structures and could propagate under both static and fatigue loading. Being able to predict the damage propagation, instead of just the damage onset, allows to exploit the whole resistance of a structure and to obtain a proper fatigue life design, according to the damage tolerance approach. Existing analytical models have been applied to describe quasi-static delamination propagation in the DCB, ENF and MMB, which are the most used specimens to study delamination in composite materials; while a new analytical model for delamination under fatigue loading based on the Paris' law has been developed and validated. The adoption of a simple analytical model allows a fast and effective estimation of fatigue life in preliminary design and it can be also used as a benchmark for numerical simulations. Both for static and fatigue loading conditions numerical analyses have been performed, investigating the characteristics of the Virtual Crack Closure Technique algorithm of Abaqus/Standard and identifying the main issues and the most suitable parameters. Finally, delamination of stringer-panel interface in the post-buckling field has been modeled and a critical load range for the specimen has been identified.

Questo lavoro di tesi ha lo scopo di studiare la delaminazione in strutture in materiale composito utilizzando modelli analitici e numerici. La delaminazione è una delle più comuni tipologie di danneggiamento nei materiali compositi e può propagare sotto carichi statici o di fatica. la capacità di modellare e prevedere la propagazione dei danneggiamenti, piuttosto che il solo instaurarsi, consente di sfruttare interamente la capacità di carico di una struttura e di realizzare un adeguato progetto a fatica secondo l'approccio damage tolerance. Modelli analitici esistenti sono stati applicati per descrivere la propagazione di delaminazione nel caso quasi-statico all'interno di provini DCB, ENF e MMB, ossia quelli principalmente utilizzati per studiare la delaminazione nei materiali compositi. Un nuovo modello analitico basato sulla legge di Paris è stato invece sviluppato e validato per descrivere la propagazione della delaminazione a fatica. L'adozione di un semplice modello analitico consente una rapida ed efficace valutazione della vita a fatica in fase di progetto preliminare e può anche essere utilizzato come riferimento per simulazioni numeriche. Sia il caso statico che a fatica sono stati modellati con simulazioni numeriche, analizzando le caratteristiche dell'algoritmo della Virtual Crack Closure Technique implementato in Abaqus/Standard e identificando le principali criticità e i parametri ottimali. Infine, si è modellata la delaminazione all'interfaccia corrente-pannello in post-buckling, identificando un intervallo di valori per il carico critico del componente.