Sviluppo di modelli coesivi per l'indagine della frattura interlaminare in interfacce adesive

The analysis of the adhesive bonding mechanical properties is a key aspect in the design of composite material components. Particular attention is dedicated to the study of the crack propagation mode in adhesive interfaces. In such a context, delamination represents one of the most important damage mechanisms. This thesis focuses on the study of the effectiveness of the numerical analysis methods on the adhesive interface. The activity consisted, in a first phase, in the implementation of an exponential constitutive law, oriented to describe the behaviour of a ductile adhesive, affected by plastic phenomena. The validity of the constitutive law was tested by performing the model of two different standard tests characterised by two different interlaminar crack propagation modes. These models were performed by adopting a non-conventional modelling technique based on cohesive zone models. The first model, which describes the mode I, was correlated to a set of experimental data, presented in literature. The second model, which represents the mode II, was compared with the analysis adopting a simple bi-linear constitutive response. It has been observed that, in these types of applications, the exponential constitutive law reproduces the trend of the bilinear law without pointing out considerable differences, and leading to a good correlation with the experimental data. Finally, a further examination of the exponential constitutive law was performed by considering two different applications. The first application was aimed to exploit the plastic response of the exponential law, whereas the second one was designed to permit the investigation of the competitive behaviour between adhesive and cohesive failure mode within the adhesive interface. The nonlinearity of this constitutive law allows to simulate with more accuracy the behaviour of aeronautical structural adhesives.

L'analisi delle proprietà meccaniche dei collegamenti adesivi riveste un ruolo fondamentale all'interno della progettazione di un componente in materiale composito. Particolare attenzione viene rivolta allo studio delle modalità di propagazione della cricca nell'interfaccia adesiva. Tra questi meccanismi di danno, uno dei più importanti è il danneggiamento interlaminare. Il presente lavoro di tesi si focalizza sullo studio dell'efficacia delle metodologie di analisi numerica dell'interfaccia adesiva. L'attività è stata articolata in una prima fase di implementazione e configurazione di una legge costitutiva di forma esponenziale, orientata a descrivere il comportamento di un adesivo duttile caratterizzato da fenomeni plastici. Quindi è stata verificata la validità della legge con l'ausilio di due modelli di prove standard di caratterizzazione della tenacità a frattura interlaminare in modo I e modo II. I modelli numerici sono stati sviluppati facendo ricorso ad un approccio coesivo di tipo non convenzionale. Del modello rappresentante il modo I è stata effettuata la correlazione con una serie di dati sperimentali provenienti da letteratura; il secondo modello, rappresentante il modo II, è stato paragonato all'analisi svolta con la la tipica legge costitutiva bilineare comunemente impiegata nei modelli a zona coesiva. Si è osservato che per queste tipologie di applicazioni la legge costitutiva esponenziale riproduce l'andamento della legge bilineare, senza evidenziare sostanziali differenze, correlando bene i dati sperimentali. È stata infine effettuata un'ulteriore analisi per approfondire le potenzialità di questa legge, considerando due modelli: il primo ha evidenziato la componente plastica della legge esponenziale; il secondo ha permesso di indagare la competizione tra rottura coesiva e rottura adesiva all'interno dell'interfaccia adesiva. La nonlinearità di questa legge costitutiva consente di implementare con maggiore precisione il comportamento di un adesivo strutturale aeronautico.