Experimental and numerical study of bearing damage and failure of tailored fiber placement reinforced joining systems in flat panels

The aim of this work is an experimental and numerical investigation of the potential benefits of Tailored Fiber Placement (TFP) Patch reinforcements, with a focus on the influence of the design parameters on bearing behavior. TFP Patches can be employed as reinforcing elements for jointed systems: the fibers are placed along stress paths in order to minimize mass and maximize load carrying capacity. The remarkably customizable orientation of the fibers in a TFP Patch enables the optimization of fibre placement around the connecting holes. The work focuses on improving the predictive failure and optimization techniques. Experimental tests carried out on both unreinforced and reinforced quasi-isotropic carbon/epoxy coupons, manufactured with the Vacuum Assisted Resin Infusion (VARI) technique, showed a significant increase of the loading capacity of the laminates, due to the application of the patches. The high local thickness at the hole cross section, an effect of the infusion technique adopted, has however led to a lower bearing stress than in the unreinforced configuration. A numerical model was built and compared to the experimental data in order to represent numerically the bearing damage and failure behavior of the joints. The numerical model was developed from a new research code provided by ESI-Group for the software PAM-CRASH, originally designed for crushing phenomena such as cylinder impact. The model provides encouraging results which allow it to be included in the investigation of more complex components, such as typical aeronautical panels.

L’obiettivo di questo lavoro di tesi consiste nello studio sperimentale e numerico delle potenzialità rappresentate da elementi di rinforzo applicati a giunzioni in materiale composito, concentrando l’attenzione all’influenza di tali elementi su meccanismi di cedimento e danneggiamento per bearing dei fori. Patches realizzate con la tecnica Tailored Fiber Placement (TFP) possono essere impiegate come rinforzi in elementi di giunzione: le fibre sono disposte lungo i percorsi di carico per ridurre il peso del componente e incrementare la quantità di carico che può essere sopportata. La possibilità di scegliere una qualsiasi orientazione delle fibre all’interno delle patches permette, una volta compresi i fenomeni e i modi di danneggiamento, di ottimizzarne la disposizione attorno ai fori degli elementi di giunzione. Prove sperimentali su provini quasi isotropi in materiale composito (fibre di carbonio e resina epossidica), rinforzati e non, realizzati attraverso la tecnica Vacuum Assisted Resin Infusion (VARI), hanno mostrato un significativo aumento della capacità di carico dovuta all’applicazione delle patches. Lo sforzo di bearing è rimasto tuttavia inferiore a quello dei laminati non rinforzati a causa del notevole aumento locale di spessore dovuto ai rinforzi, limite evidente della tecnica di infusione adottata. Un modello numerico è stato realizzato per correlare i risultati sperimentali, con lo scopo di proporre una corretta rappresentazione dei fenomeni di danneggiamento indotti da bearing, attraverso lo sviluppo di un codice sperimentale fornito da ESI-Group per il software PAM-CRASH, ideato per fenomeni di crush assiale quale l’impatto di cilindri. Il modello ha prodotto risultati incoraggianti che suggeriscono la possibilità di una sua implementazione nella rappresentazione di un componente più complesso quale un tipico pannello aeronautico, anche con l’applicazione di patches.