Modellazione del danno in pale di elicottero per lo sviluppo di sistemi di monitoraggio strutturale

The possibilities offered by numerical tools to model the presence of interlaminar cracks in composite material and to evaluate their possible propagation is very promising for the development of SHM (Structural Health Monitoring) system. The present work focuses on modelling internalminar damage in Glass-fiber helicopter blades and includes experimental investigations to determine the behavior of various interlaminar layers that can exist in the considered structure. Particular interest was given to the DCB tests (Double Cantilever Beam) for the estimation of interlaminar fracture toughness in Mode I, which showed the importance of fiber bridging phenomena in the interlaminar fracture between Glass reinforced plies. Such aspect motivates the application of a particular cohesive zone based approach, which can model the propagation of interlaminar fracture with large cohesive zones and a significant dependency of toughness on crack length. Moreover, it is been verified the ability of fiber optic sensors to monitor the progress of the crack, measuring the state of deformation and comparing with the numerical performance. Finally, the numerical tools developed have been integrated into a global model of a technology demonstrator of an helicopter blade. The developed model can represent a valuable tool for the development of the a SHM system in the blade.

La possibilità offerta dagli strumenti numerici di modellare la presenza di fratture interlaminari nei materiali compositi e di valutarne eventuali propagazioni, li rendono molto promettenti per la progettazione di sistemi di monitoraggio strutturale SHM (Structural Health Monitoring). Il lavoro di tesi si focalizza sulla modellazione del danno interlaminare nelle pale di elicottero e, in particolare, nei longheroni in fibra di vetro di tali elementi. Al fine di sviluppare e mettere a punto le tecniche numeriche appropriate per modellare il comportamento di laminati in fibra di vetro, sono state effettuate indagini sperimentali per determinare il comportamento delle diverse tipologie di interlamine presenti nella struttura. Particolare interesse è stato dato alle prove DCB (Double Cantilever Beam) per la stima delle caratteristiche di tenacità interlaminare a frattura in Modo I, le quali hanno mostrato l’influenza dei fenomeni di fiber bridging nella frattura interlaminare dei materiali considerati. Tale aspetto ha motivato l’utilizzo di un approccio basato sui modelli di zona coesiva che fosse adeguato a modellare fratture interlaminari caratterizzate da zone di processo molto estese, con dipendenza della tenacità dalla lunghezza della cricca. Inoltre si è verificata la capacità dei sensori in fibra ottica di monitorare l’avanzamento della cricca, misurando l’andamento delle deformazioni e confrontandolo con quello numerico. Infine, gli strumenti numerici sviluppati sono stati integrati in un modello globale del dimostratore tecnologico di una pala di elicottero, con l’intento di sviluppare uno strumento numerico per la messa a punto del progetto di un sistema SHM.