Analisi dei risultati

Sono presentati i risultati ottenuti dalle analisi numeriche per le prove DCB ed ENF. Il confronto tra le varie metodologie è stato effettuato attraverso i grafici forza-spostamento, nonché dal confronto diretto dell’energia di frattura con il valore di tenacità corrispondente.

Una volta analizzato il comportamento globale delle varie metodologie, si è proceduto alla valutazione dell’andamento delle energie di frattura nodali per i vari metodi.

Per la VCCT in particolare, sono stati confrontati gli andamenti dell’energia lungo la direzione del crack tip (larghezza del provino) per valutare le differenti distribuzioni al variare della metodologia utilizzata.

Nel caso di elementi coesivi, non avendo direttamente una misura di G dal- la soluzione dell’analisi, si è calcolata una stima di sforzo ammissibile a partire dai valori degli sforzi nei contatti coesivo-superficie. Per quanto riguarda il metodo del bilancio energetico per la prova DCB, esso è stato implementato a partire dall’analisi in SOL106 e SOL400. Dai dati ottenuti si evince come la differenza tra le soluzioni, in termini di energia di deformazione G, risulta inferiore all’1%, mentre il costo computazionale della SOL400 risulta circa il doppio di quello con la SOL106.

Modello DCB

Le analisi numeriche mostrano un andamento conforme ai risultati sperimenta- li. Per quanto riguarda il grafico forza-spostamento (fig. 4.8 (a)) tutti i metodi implementati riproducono con buona precisione la parte lineare del grafico.

L’innesco della delaminazione, corrispondente al superamento del valore di tenacità Gc da parte dell’energia G, come mostrato in figura 4.8 (b), mette in

luce i differenti comportamenti delle diverse metodologie. Nel dettaglio, si può notare come il metodo del bilancio energetico sia quello che sovrastima più di tutti il valore di energia di deformazione, fornendo i valori di spostamento e carico critico più bassi tra le differenti metodologie. Questo approccio fornisce una stima conservativa dell’energia di deformazione che porta ad ottenere un valore di carico critico inferiore del 3.89% rispetto al dato sperimentale (Tab. 4.3).

Per quanto riguarda i metodi implementati da MD Nastran, le curve mostra- no andamenti molto simili nel caso si utilizzino elementi tridimensionali piut- tosto che bidimensionali, in accordo con [31]. In particolare, nel caso di ele- menti solidi la stima di energia fornita risulta leggermente maggiore rispetto agli elementi piani. I valori di carico e spostamento critico riproducono con buona precisione i valori sperimentali.

La curva del modello con elementi coesivi presenta una pendenza leg- germente inferiore alle altre, per via della rigidezza del materiale coesivo frapposto tra le superfici del provino. La forza massima raggiunta è inferiore

rispetto alle altre metodologie e rispetto al dato sperimentale (di un valore pari a −9.63%).

Le curve di forza-spostamento relative alla VCCT, nelle fasi successive al’in- nesco della delaminazione mostrano un andamento della forza crescente e fortemente oscillante. Tale comportamento è stato ritenuto poco rispettoso della fisica della prova e comunque non rilevante ai fini della determinazione del carico di innesco della frattura; pertanto si è ritenuto interrompere tali curve dopo il raggiungimento del carico critico.

A differenza della VCCT, il modello con elementi coesivi permette di model- lare anche la fase successiva all’innesco della delaminazione, caratterizza- ta dalla curva discendente all’interno delle spezzate costituite dalla curva sperimentale.

Le distribuzioni di energie totali per la VCCT lungo la larghezza del provi- no sono presentate in figura 4.9. Da questi grafici si ha conferma di come le energie calcolate direttamente da Nastran risultino inferiori rispetto all’ap- proccio del bilancio energetico; inoltre la distribuzione delle energie calcolate con Nastran risulta decisamente più uniforme rispetto all’altra metodologia dove si nota un deciso abbassamento del valore di energia alle estremità.

In tabella 4.3 sono riassunti i dati caratteristici delle metodologie imple- mentate per il test DCB.

Pmax Err δcr Err

[N ] [%] [mm] [%] Exp 43.6 - 8.25 - VCCT manual 2D 41.91 -3.89 7.4 -6.38 VCCT Nastran 2D 43.9 0.68 8.0 -3.03 VCCT Nastran 3D 42.6 -2.29 7.8 -5.45 CZM 39.4 -9.63 8.2 -0.6

Tabella 4.3: Confronto analisi DCB

Per quanto riguarda gli elementi coesivi, l’andamento dello sforzo medio normale di contatto tra coesivo e superficie del provino viene raffigurato in fig. 4.10. Dal grafico si evince come questa grandezza sia direttamente lega- ta all’andamento della reazione sui vincoli (fig. 4.8 (a)); per tale ragione, questo parametro è stato utilizzato come quantità indicativa dell’incipiente delaminazione.

(a) Forza di reazione F - δ

(b) Energia di deformazione Gtot

(c) Margine di sicurezza

Figura 4.8: Confronto delle curve di forza, energia e margine di sicurezza per il metodo energetico e quello Nastran 2d e 3d (DCB)

(a) δmax= 1.2mm (b) δmax= 2.4mm

(c) δmax= 3.6mm (d) δmax= 4.8mm

(e) δmax= 6.0mm

Figura 4.9: Confronto dei valori di Gtot lungo il provino per il metodo energetico

Figura 4.10: Andamento dello sforzo normale medio nel contatto coesivo superficie, test DCB

Dai grafici si nota come la distribuzione degli sforzi normali (fig. 4.11), inizialmente simile a quella delle energie per la VCCT, subisca una variazione in seguito all’innesco della delaminazione. La caduta dei valori di sforzo inte- ressa per prima la zona centrale del provino, dove inizialmente erano presenti i valori più alti, mentre i valori di sforzo nella zona di estremità sono quelli che decrescono più lentamente per ultimi.

(a) δmax= 3.6mm

(c) δmax= 6.0mm

(e) δmax= 7.2mm

(g) δmax= 12mm

Figura 4.11: Andamento dello sforzo normale nel contatto coesivo-superficie e deformata per la prova DCB

Modello ENF

I risultati ottenuti per i provini sotto questa condizione di carico mostrano andamenti che si distaccano di più dai risultati sperimentali rispetto ai risultati numerici per il test DCB.

Dalle curve di forza-spostamento di fig. 4.12 si può notare come nessuno dei metodi sia in grado di riprodurre la fase molto brusca di cedimento del provino, tipica per i materiali utilizzati. La parte lineare della curva viene riprodotta con buona approssimazione dai diversi metodi, mentre la zona di innesco della delaminazione viene sottostimata da tutti i metodi (Tab. 4.4). In particolare il metodo del bilancio energetico fornisce la stima più ottimistica mentre la VCCT con elementi finiti solidi risulta la metodologia che più si avvicina al caso sperimentale.

In questo caso il metodo del bilancio energetico risulta il meno conservativo in quanto questo approccio fornisce una stima dell’energia di deformazione inferiore rispetto al Nastran, al contrario di quanto avveniva per il modo I. É stato inoltre notato che tale metodo può fornire valori negativi di energie di modo II e III; tali risultati sono da considerarsi non fisici e vanno quindi eliminati a posteriori dal calcolo dell’energia totale.

Anche per questa prova, le curve forza-spostamento relative alla VCCT sono state tagliate in seguito al raggiungimento del carico critico per le stesse ragioni della prova DCB.

Le distribuzioni di energia lungo la larghezza del provino mostrano un comportamento conforme ai grafici reperiti in letteratura per quanto riguarda la metodologia di Nastran (fig. 4.13). Si può notare come le distribuzioni di energia per il modello 2d e 3d siano molto simili e portino a valori di spostamento critico vicini tra di loro.

La distribuzione fornita dal metodo del bilancio energetico appare decisa- mente diversa rispetto alle altre, in particolare verso le estremità dove l’energia decresce bruscamente (analogamente al test DCB). Questa differente distribu- zione influisce in maniera significativa sul valore di spostamento critico che, in questo caso, risulta più elevato rispetto al dato sperimentale.

(a) Forza di reazione F - δ

(b) Energia di deformazione Gtot

(c) Margine di sicurezza

Figura 4.12: Confronto delle curve di forza, energia e margine di sicurezza per il metodo energetico e quello Nastran 2d e 3d (ENF)

Pmax Err δcr Err [N ] [%] [mm] [%] Exp 1080 - 4.1 - VCCT manual 2D 1110 2.78 4.2 2.44 VCCT Nastran 2D 1002 -6.60 3.8 -7.37 VCCT Nastran 3D 1060 -1.85 4.15 1.21 CZM 954 -11.67 3.9 -4.87

Tabella 4.4: Confronto analisi ENF

(a) δmax= 1.2mm (b) δmax= 2.4mm

(c) δmax= 3.6mm (d) δmax= 4.8mm

Figura 4.13: Confronto dei valori di Gtot lungo il provino per il metodo

Per quanto riguarda il modello con elementi coesivi, la distribuzione dello sforzo normale è risultata poco indicativa ai fini dell’analisi, in quanto non fornisce indicazioni rilevanti sulle forze intralaminari responsabili, in questa tipologia di test, dell’innesco della frattura.

Si è pertanto analizzato l’andamento delle forze di contatto parallele al- la lunghezza del provino per avere una misura discriminante dell’incipiente delaminazione, come appare dal confronto dell’andamento della forza media tangenziale, rappresentata in figura 4.14, con la reazione ai vincoli (fig. 4.12

(a)).

Figura 4.14: Andamento della forza tangenziale media nel contatto coesivo superficie, test ENF

La distribuzione delle grandezze prese in considerazione mostra come l’an- damento dello sforzo normale risulta simile alla distribuzione di energia per questo tipo di test (fig. 4.15 (b), (d)); la distribuzione della forza tangenziale appare invece differente rispetto alla distribuzione di energie ed è inoltre pos- sibile notare la variazione che subisce in seguito alla delaminazione (fig. 4.15

(a) Fz @ δmax= 3.6 mm (b) σ @ δmax = 3.6 mm

(c) Fz δmax = 4.8 mm (d) σ δmax= 4.8 mm

Figura 4.15: Confronto dei valori di σ e di forza tangenziale F z nel contatto coesivo-superficie, ENF