Valutazione del comportamento delle strutture in composito con e senza interposizione del Rohacell®

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i

INDICE

CAPITOLO 1 INTRODUZIONE ______________________________________________________________ 1 1.1 I COMPOSITI E SANDWICH NEL SETTORE AERONAUTICO _________________________________________ 3

CAPITOLO 2 I MATERIALI COMPOSITI____________________________________________________ 15 2.1 INTRODUZIONE_______________________________________________________________________ 15 2.2 I COMPOSITI _________________________________________________________________________ 16 2.3 IL MATERIALE HEXPLY® 8552/IM7 _____________________________________________________ 19

2.4 IL MATERIALE NCFHTA/977-2 __________________________________________________________ 20 2.5 LA MICROMECCANICA _________________________________________________________________ 22 2.5.1 Le costanti elastiche ________________________________________________________________ 22 2.5.2 La resistenza ______________________________________________________________________ 24 2.6 LA MACROMECCANICA_________________________________________________________________ 26 2.6.1 Anisotropia e simmetrie _____________________________________________________________ 26 2.6.2 Criteri di resistenza_________________________________________________________________ 37

2.6.2.1 Criterio della tensione massima ____________________________________________________________ 38 2.6.2.2 Criterio della deformazione massima _______________________________________________________ 40 2.6.2.3 Criterio di Tsai-Hill _____________________________________________________________________ 41 2.6.2.4 Criterio di Hoffmann ____________________________________________________________________ 43 2.6.2.5 Criterio di Tsai-Wu _____________________________________________________________________ 44

2.6.3 Teoria della laminazione_____________________________________________________________ 45

2.6.4 Tipologie di laminati ________________________________________________________________ 51

2.6.4.1 Laminati disaccoppiati ___________________________________________________________________ 51 2.6.4.2 Laminati equilibrati _____________________________________________________________________ 51 2.6.4.3 Laminati Angle-Ply _____________________________________________________________________ 52 2.6.4.4 Laminati Cross-Ply _____________________________________________________________________ 52 2.6.4.5 Laminati quasi isotropi___________________________________________________________________ 52 2.6.4.6 Laminati isotropi _______________________________________________________________________ 53 2.6.4.7 Laminati quasi-omogenei_________________________________________________________________ 54

2.6.5 Tensioni ai bordi liberi ______________________________________________________________ 54

CAPITOLO 3 I SANDWICH_________________________________________________________________ 59 3.1 INTRODUZIONE_______________________________________________________________________ 59

3.2 LE STRUTTURE SANDWICH______________________________________________________________ 59

3.3 IL CORE DI UNA STRUTTURA A SANDWICH___________________________________________________ 62

3.3.1 Honeycomb _______________________________________________________________________ 66

3.3.2 Schiume cellulari___________________________________________________________________ 71

______________________________________________________________________________

ii

3.3.2.2 Schiume a celle chiuse ___________________________________________________________________ 75

3.3.3 Il Rohacell® 110 WF _______________________________________________________________ 79

3.4 LA TEORIA DELLE TRAVI A SANDWICH_____________________________________________________ 80

3.4.1 Rigidezza flessionale _______________________________________________________________ 81

3.4.2 Stato di tensione in-plane ____________________________________________________________ 83

3.4.3 Tensioni di taglio __________________________________________________________________ 84

3.4.4 Sintesi delle approssimazioni _________________________________________________________ 86

3.4.5 Rigidezza a taglio __________________________________________________________________ 88

3.5 MODI DI CEDIMENTO __________________________________________________________________ 90

3.5.1 Snervamento\frattura delle facce ______________________________________________________ 92

3.5.2 Cedimento a taglio del core __________________________________________________________ 92

3.5.3 Instabilità locale delle facce (wrinkling) ________________________________________________ 93

3.5.4 Instabilità generale (buckling) ________________________________________________________ 94

3.5.5 Instabilità a taglio (shear crimping)____________________________________________________ 97

3.5.6 Instabilità per increspatura delle facce (face dimpling)_____________________________________ 98

3.5.7 Indentazione dell’anima (core indentation) ______________________________________________ 99

3.5.8 Cedimento della giunzione adesiva ____________________________________________________ 99

3.6 FAILURE MODE MAPS_________________________________________________________________ 100

CAPITOLO 4 ATTIVITÀ SPERIMENTALE_________________________________________________ 103 4.1 INTRODUZIONE______________________________________________________________________ 103

4.2 PROVA DI TRAZIONE EDGEWISE_________________________________________________________ 104

4.2.1 Provini _________________________________________________________________________ 106

4.2.2 Attrezzature di carico e verifiche _____________________________________________________ 116

4.2.3 Modalità di attuazione delle prove____________________________________________________ 119

4.3 PROVA DI TRAZIONE FLATWISE _________________________________________________________ 122

4.3.1 Provini e attrezzature di carico ______________________________________________________ 123

4.4 COMPRESSIONE EDGEWISE_____________________________________________________________ 126

4.4.1 Provini _________________________________________________________________________ 127

4.4.2 Attrezzature di carico e verifiche _____________________________________________________ 134

4.4.3 Modalità di attuazione delle prove____________________________________________________ 138

4.5 CONDIZIONAMENTO__________________________________________________________________ 141

4.6 PROGRAMMA COMPLESSIVO DELLE PROVE ________________________________________________ 148 CAPITOLO 5 I TEST DITRAZIONE EDGEWISE___________________________________________ 149

5.1 I DATI SPERIMENTALI_________________________________________________________________ 149

5.2 ELABORAZIONE DEI RISULTATI _________________________________________________________ 154

5.2.1 Calcolo delle rigidezze dei provini____________________________________________________ 154

5.2.2 Confronto tra i campioni tipo A1 e B1 _________________________________________________ 164

5.2.3 Confronto tra i campioni tipo A1 e A2 _________________________________________________ 168

5.2.4 Confronto tra le prove dry e wet _____________________________________________________ 173

______________________________________________________________________________

iii

5.3.1 Geometria e mesh _________________________________________________________________ 178

5.3.2 Vincoli e carichi applicati ___________________________________________________________ 179

5.3.3 Materiali e loro proprietà ___________________________________________________________ 180

5.3.4 Tensioni e deformazioni risultanti dal modello UNT A1____________________________________ 181

5.3.5 Tensioni e deformazioni risultanti dal modello OHT A1____________________________________ 186

CAPITOLO 6 I TEST DI TRAZIONE FLATWISE____________________________________________ 191 6.1 I DATI SPERIMENTALI _________________________________________________________________ 191 6.2 ELABORAZIONE DEI RISULTATI__________________________________________________________ 192

6.3 ANALISI DEI RISULTATI________________________________________________________________ 194

CAPITOLO 7 I TEST DI COMPRESSIONE EDGEWISE _____________________________________ 199 7.1 I DATI SPERIMENTALI _________________________________________________________________ 199 7.2 ELABORAZIONE DEI RISULTATI__________________________________________________________ 203

7.2.1 Osservazioni a carattere generale ____________________________________________________ 203

7.2.2 Confronto tra i campioni tipo A1 e B1 _________________________________________________ 212

7.2.3 Confronto tra i campioni tipo A1 e A2 _________________________________________________ 217

7.2.4 Confronto tra le prove dry e wet ______________________________________________________ 222

7.3 ANALISI FEM _______________________________________________________________________ 226

7.3.1 Geometria e mesh _________________________________________________________________ 227

7.3.2 Vincoli e carichi applicati ___________________________________________________________ 228

7.3.3 Materiali e loro proprietà ___________________________________________________________ 229

7.3.4 I provini UNC A1 _________________________________________________________________ 229 7.3.5 I provini OHC A1 _________________________________________________________________ 233 7.3.6 I provini UNC B1 _________________________________________________________________ 235 CAPITOLO 8 CONCLUSIONI______________________________________________________________ 237 BIBLIOGRAFIA 241 APPENDICE A ______________________________________________________________________________ A-2 A.1 HEXCEL8552/IM7 __________________________________________________________________A-2 A.2 ROHACELL®________________________________________________________________________ A-8 APPENDICE B _____________________________________________________________________________ A-13

B.1 LAMINATO A1 SOGGETTO AD UN CARICO DI TRAZIONE DI 100KN______________________________ A-13

B.2 LAMINATO B1 SOGGETTO AD UN CARICO DI 100KN IN TRAZIONE _____________________________ A-21

B.3 LAMINATO A1 SOGGETTO AD UN CARICO DI COMPRESSIONE DI 100KN__________________________ A-29

APPENDICE C _____________________________________________________________________________ A-37 C.1 PROVINO UNTA1_4 ________________________________________________________________ A-37

______________________________________________________________________________

iv

INDICE TABELLE

Tabella 2.1: Dati del prepreg 8552/IM7 ([4] e [13])___________________________________________________ 19 Tabella 2.2: NCF HTA/977-2 a 12K fibre forniti da [17] _______________________________________________ 21 Tabella 3.1: Densità relative per varie classi di solidi cellulari ([23]) _____________________________________ 66 Tabella 3.2: Proprietà meccaniche degli honeycomb __________________________________________________ 70 Tabella 3.3: Moduli di elasticità per una schiuma a celle aperte isotropa __________________________________ 73 Tabella 3.4: Valori delle tensioni massime ammissibili per una schiuma a celle aperte fornite da [23] (r/rs<0.3)__ 75

Tabella 3.5: Moduli di elasticità di una schiuma a celle chiuse isotropa secondo [23] (r/rs<0.3) _______________ 76

Tabella 3.6: Valori delle tensioni massime ammissibili per una schiuma a celle chiuse secondo [23]_____________ 77 Tabella 3.7: Proprietà meccaniche delle schiume _____________________________________________________ 78 Tabella 3.8: Dati del Rohacell® 110 WF ([5] e [6]) ___________________________________________________ 80 Tabella 3.9: Tabella delle costanti per la generalizzazione del calcolo del momento e taglio([4]) _______________ 91 Tabella 4.1: Designazione dei provini a trazione edgewise_____________________________________________ 107 Tabella 4.2: Designazione dei provini a compressione edgewise ________________________________________ 128 Tabella 4.3: Programma complessivo delle prove____________________________________________________ 148 Tabella 5.1: Risultati delle prove a trazione – configurazione UNT ______________________________________ 152 Tabella 5.2: Risultati delle prove a trazione – configurazione OHT e FHT ________________________________ 153 Tabella 5.3: Caratteristiche meccaniche dei campioni di tipo A1 ________________________________________ 160 Tabella 5.4: Caratteristiche meccaniche dei campioni di tipo A2 ________________________________________ 161 Tabella 5.5: Caratteristiche meccaniche dei campioni di tipo B1 ________________________________________ 162 Tabella 5.6: Peso (g) e incremento percentuale in peso rispetto al 12/04/07 dei provini condizionati ____________ 174 Tabella 6.1: Risultati ottenuti dalla prova di trazione edgewise _________________________________________ 191 Tabella 6.2: Caratteristiche meccaniche forniti dai provini FWT B1 _____________________________________ 193 Tabella 7.1: Risultati delle prove a compressione – configurazione UNC _________________________________ 201 Tabella 7.2: Risultati delle prove a compressione – configurazioni OHC e FHC ___________________________ 202 Tabella 7.3: Caratteristiche meccaniche dei campioni di tipo A1 ________________________________________ 208 Tabella 7.4: Caratteristiche meccaniche dei campioni di tipo A2 ________________________________________ 209 Tabella 7.5: Caratteristiche meccaniche dei campioni di tipo B1 ________________________________________ 210 Tabella 7.6: Peso [g] e guadagno percentuale in peso rispetto al 12/07/07 dei provini condizionati_____________ 222 Tabella 7.7: Tabella comparativa tra campioni dry e wet ______________________________________________ 224 Tabella A.1:Proprietà dei principali PMI con densità simili commercializzati con il nome di Rohacell® __________ 11 Tabella A.2: Percentuale di assorbimento di umidità di un provino in ambienti differenti ______________________ 12