Università di Pisa
Scuola di Ingegneria
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale
Valutazione dell’effetto ambientale nella
caratterizzazione meccanica di materiali
compositi in fibra di carbonio
Relatori :
Prof. Ing. Giorgio Cavallini
Ing. Roberta Lazzeri
Candidato :
Luigi Carlomagno
I
Indice
Elenco delle figure
Elenco delle tabelle
Riferimenti bibliografici
Sommario
1. Introduzione
1
1.1 Sviluppo storico ed affermazione dei materiali compositi nel settore
aeronautico
1
1.2 Certificazione di strutture aeronautiche in materiale composito
15
1.3 Progettazione di componenti in composito
17
1.3.1 Approccio generale
18
2. Nuove strategie di progettazione
20
2.1 Generalità
20
2.2 Il Software : Catia
23
3. Normative per l’esecuzione di prove sui materiali
compositi
25
3.1 Generalità
26
3.1.1 Grandezze misurabili
27
3.1.2 Tipi di test meccanici
27
3.1.3 Requisiti per test su materiali compositi
29
3.2 Prove eseguite a livello di coupon e normative in materia
31
3.4.1 Normativa in materia di prove sui compositi
31
3.4.2 Prove di trazione
32
3.4.3 Prova di compressione
33
3.4.4 Prova di taglio
35
3.4.5 Prova di flessione
35
II
3.3 Simulazione degli effetti ambientali
37
3.3.1 Assorbimento di umidità accellerato
39
3.3.2 Combinazione di carico e condizionamento climatico
39
3.4 Sviluppo degli ammissibili di progetto
40
3.4.1 Resistenza statica
41
3.4.2 Resistenza a fatica
42
3.4.3 Influenza del danneggiamento
43
3.5 Prove di trazione e taglio
43
3.5.1 Prove di trazione
43
3.5.2 Prove di taglio ± 45° off – axis tensile test
51
4. Svolgimento delle prove, acquisizione ed elaborazione
dei dati
54
4.1 Apparato sperimentale impiegato
54
4.2 Svolgimento prove di trazione sui compositi
55
4.3.1 Misura della dimensione dei provini
56
4.3.2 Setup e svolgimento della prova
58
4.3 Elaborazione dei dati di trazione
63
4.3.1 Analisi secondo ASTM D3039
63
4.3.2 Analisi secondo EN 2561/2597
65
4.4 Elaborazione dei dati a taglio
66
4.4.1 Analisi secondo ASTM D3518
67
4.4.2 Analisi secondo prEN 6031
69
5. Conclusioni
70
III
Elenco delle figure
Figura 1.1 : grafici sforzo-deformazione per le fibre di carbonio, aramidiche e vetro 3 Figura 1.2 : confronto tra la resistenza a trazione ed il modulo elastico 3
Figura 1.3 : Morane 406 4
Figura 1.4 : Spitfire 4
Figura 1.5 : primi componenti ad essere realizzati in materiale composito 5
Figura 1.6 : timone di direzione 6
Figura 1.7 : componenti in composito negli aerei militari 7
Figura 1.8 : incremento dell’ utilizzo dei materiali compositi 8
Figura 1.9 : incremento dell’impiego dei materiali compositi in Airbus 9
Figura 1.10 : incremento dell’impiego dei materiali compositi in Airbus 9
Figura 1.11 : incremento dell’impiego dei materiali compositi in Boeing 10
Figura 1.12 : percentuale rispetto al peso totale di materiali compositi impiegati 10 Figura 1.13 : esempio di realizzazione di centine ed irrigidimenti in composito 11
Figura 1.14 : parte ventrale dell’ala in materiale composito Airbus A350 11
Figura 1.15 : parte ventrale dell’ala in materiale composito Airbus A350 12
Figura 1.16 : parte ventrale dell’ala in materiale composito Airbus A350 12
Figura 1.17 :coda orizzontale in materiale composito 13
Figura 1.18 : carene motore in materiale composito 13
Figura 1.19 : pannello di fusoliera in materiale composito Airbus A350 14
Figura 1.20 : tronco di fusoliera in materiale composito 14
Figura 1.21 : assemblaggio aereo 15
Figura 1.22 : livelli di scala presenti in un manufatto in composito 18
Figura 1.23 : approccio Building Block per il progetto/certificazione strutture in composito 19
Figura 2.1 : progettazione 3D Boeing 787 mediante Catia 22
Figura 2.2 : rendering Airbus A350 attraverso Catia 22
Figura 2.3 : irrigidimento in composito 24
Figura 2.4 : irrigidimento in composito 24
Figura 3.1 : approccio Building Block 26
Figura 3.2 : sistemi di coordinate 27
Figura 3.3 : schema di funzionamento macchina servo-idraulica 28
Figura 3.4 : Reduced sampling technique 29
Figura 3.5 : prova di trazione 33
Figura 3.6 : prova di trazione 33
Figura 3.7 : prova di compressione 34
Figura 3.8 : rappresentazione schematica prova di taglio 35
Figura 3.9 : rappresentazione schematica prova di flessione 36
Figura 3.10 : camera climatica 38
Figura 3.11 : corretto modo di rottura di un campione dotato di tab 46
Figura 3.12 : misura della curvatura di un provino 48
Figura 3.13 : provino En 2561 di tipo A e B 49
Figura 3.14 : provino En 2561 di tipo C 49
Figura 3.15 : provino EN 2597 di tipo A 50
Figura 3.16 : provino EN 2597 di tipo B 51
Figura 4.1 : macchina impiegata 55
Figura 4.2 : micrometro per esterni 57
Figura 4.3 : micrometro digitale 58
Figura 4.4 : posizionamento estensimetri 60
Figura 4.5 : tipici andamenti delle curve sforzo – deformazione 64
IV
Elenco delle tabelle
Tabella 1.1 : Proprietà di alcuni materiali per impiego aerospaziale 2
Tabella 1.2 : confronto soluzione lega leggera – materiale composito 6
Tabella 3.1 : dimensioni raccomandate per la geometria dei provini (ASTM) 47 Tabella 3.2 : dimensioni raccomandate per la geometria dei tab (ASTM) 47 Tabella 3.3 : dimensioni prescritte per la geometria dei provini e dei tab (EN 2561) 48 Tabella 3.4 : dimensioni prescritte per la geometria dei provini e dei tab (EN 2597) 50 Tabella 4.1 : caratterizzazione di famiglie diverse di materiale composito 54
Tabella 4.2 : dati macchina impiegata 55
V
Bibliografia e Sitografia
[ 1 ] www.dmfci.unict.it/siracusa/web1/materiale_didattico/c7.pdf, Grasso F., Calabretta C. “I
materiali compositi nei mezzi di trasporto”
[ 2 ] www.airwar.ru [ 3 ] www.aereimilitari.org [ 4 ] www.pluscomposites.eu [ 5 ] www.ahrtp.com [ 6 ] www.dc4434shared.com [ 7 ] www.aviationnews.eu [ 8 ] www.baronerosso.it [ 9 ] www.bloomberg.com [ 10 ] www.media.aerosociety.com [ 11 ] www.designnews.com [ 12 ] www.aleniaaermacchi.com [ 13 ] www.abovetopsecret.com [ 14 ] www.airlinesanddestinations.com [ 15 ] www.jyi.org [ 16 ] www.boeing.com [ 17 ] www.tencate.com
[ 18 ] Carlomagno L. “Impiego di materiali compositi nella realizzazione di componenti aeronautici ed utilizzo di sistemi CAD per la loro progettazione”, Tesi di laurea in Ingegneria Aerospaziale Università di Pisa A.A 2008-2009, Relatori: Giorgio Cavallini – Roberta Lazzeri.
[ 19 ] ASTM D3410, 2008: Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2008.
[ 20 ] ASTM D695, 2010: Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics. ASTM International, West Conshohocken, PA.
[ 21 ] ASTM D5467, 2010: Standard Test Method for Compressive Properties of Unidirectional Polymer Matrix Composites Using a Sandwich Beam. ASTM International, West Conshohocken, PA.
[ 22 ] www.instron.it
[ 23 ] ASTM D4255, 2007: Standard Test Method for In-Plane Shear Properties of Polymer Matrix Composite Materials by the Rail Shear Method. ASTM International, West Conshohocken, PA. [ 24 ] ASTM D5379, 2005: Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by
the V-Notched Beam Method. ASTM International, West Conshohocken, PA.
[ 25 ] ASTM D3518, 2007: Standard Test Method for In-Plane Shear Response of Polymer Matrix Composite Materials by Tensile Test of a ± 45° Laminate. ASTM International, West Conshohocken, PA.
[ 26 ] ASTM D790, 2010: Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials. ASTM International, West Conshohocken, PA.
[ 27 ] Vodicka, R. Accelerated environmental testing of composite materials. Technical Report 657, Defence Science and Technology Organization, Camberra, 1998.
[ 28 ] ASTM D790, 2010: Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials. ASTM International, West Conshohocken, PA.
[ 29 ] ASTM D3039, 2008: Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International, West Conshohocken, PA.
[ 30 ] CEN EN 2561, 1995: Aerospace Series - Carbon Fibre Reinforced Plastics - Unidirectional Laminates - Tensile Test Parallel to the Fibre Direction. Comité Européen de Normalisation, Bruxelles, Belgium.
[ 31 ] CEN EN 2597, 1998: Aerospace Series - Carbon Fibre Reinforced Plastics - Unidirectional Laminates - Tensile Test Perpendicular to the Fibre Direction. Comité Européen de
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Normalisation, Bruxelles, Belgium.
[ 32 ] CEN prEN 6031, 1995: Aerospace Series - Fibre Reinforced Plastics – Test Method - Determination of In-plane Shear Properties (±45° Laminate Tensile Test). Comité Européen de Normalisation, Bruxelles, Belgium.
[ 33 ] ASTM D5947, 2006: Standard Test Methods for Physical Dimensions of Solid Plastics Specimens. ASTM International, West Conshohocken, PA.
[ 34 ] ASTM E1012, 2005: Standard Practice for Verification of Test Frame and Specimen Alignment Under Tensile and Compressive Axial Force Application. ASTM International, West Conshohocken, PA.
VII
