Numerical and experimental strategies for design optimization of composite structures

Composite materials are widely used in automotive racing application since 1981 because of the high performance in term of stiffness and strength associated to a low density compared to metallic materials. Nowadays the use of this materials has been extended to car that have an everyday use so durability issues was arisen since the manufacturer has to guarantee the efficiency of the structures/components designed for a target life. The main aim of the research activity was to develop models and testing methodologies for the design against fatigue under in service loadings of composite structures for automotive application. Considering the increasing use of woven carbon fabric reinforced plastic especially in automotive structural component such as chassis, suspensions and wings makes essential an accurate investigation of the main parameters that affect their fatigue behavior. An experimental fatigue characterization on woven carbon fibre reinforced laminates was carried out (Chapter 2) in order to assess the effect of the fibre waviness and of the load ratio (R) on the damage mechanism and on the fatigue life of this type of material. Once the effect of this parameters has been clarified the attention was focused to a real component, a racing car front wing was chosen. The component was manufactured with the same material that was previously characterized, the experimental fatigue test on the component allowed to find a reliable model for the fatigue life prediction (Chapter 3). Unfortunately, the structures/components for automotive application often present hybrid lay-ups, this fact implies the use of woven and unidirectional reinforcement inside the composite laminates. The effect of the multi-material lay-up has been assessed by means of experimental uniaxial fatigue test in the real component (Chapter 4) moreover the use of the behavioral model used in the previous activity has given significant results. For a complete scenario the investigation of the effect of the in-service (multiaxial with variable amplitude) loadings in a multi-material real component needed to be performed (Chapter 5). A methodology for the definition of the in-service loadings of a racing car front wing has been proposed and once the reference spectrum was defined experimental tests were carried out. Since the predictive model used so far was not suitable for the fatigue life prediction in case of multiaxial loadings, other models found in the literature were applied. Satisfactory predictions were not obtained, moreover the models that were chosen need a high effort in terms of experimental fatigue test for the calibration of the parameters so they are not suitable to be used during the design process. For this reason it has been decided to extend the model that was used for the uniaxial fatigue loadings to multiaxial one (Chapter 6) since it has shown good reliability for the fatigue life assessment in the previous activities. The proposed model is based on the use of simplified fatigue curves by means of fatigue ratios obtained by an extensive re-analysis on a large number of external and internal multiaxial fatigue data taken from literature. The data were divided into several groups according to the following parameters: type of fibre, type of matrix, loading condition, reinforcement architecture and load ratio. The definition of a parameter able to account for the actual loading condition and its effect on the strength of the material has permitted the extension to multiaxial fatigue loadings Then the development of a calculation methodology that uses the phenomenological criterion has permitted the assessment of the fatigue behavior of composite laminates subjected to variable amplitude fatigue loadings (Chapter 7) that are the most common in service loads for automotive structures. Since the design methodology developed has been recognized as a powerful engineering tool for the fatigue life assessment of composite laminates, the criterion was implemented using the Matlab code (Chapter 8) in order to provide to the designers a suitable tool that can be used during the design process. In order to make the criterion more suitable for the fatigue life assessment of composite structures for automotive application (Chapter 9) it has been decided to extend it to account for hybrid (Carbon/Glass/Epoxy and Carbon/Kevlar/Epoxy) lay-ups and for the temperature effect on the fatigue properties. After an extensive validation, it has been demonstrated that using the created fatigue groups it is possible to predict the fatigue behavior of Carbon/Glass/Epoxy and Carbon/Kevlar/Epoxy hybrid laminates with different fibre architecture subjected to different load ratios (R) and assess the fatigue behavior of composite laminates at low and high temperatures. Furthermore, the effect of stress raisers on the fatigue life of composite laminates was investigated, since there is the industrial need to join and fix the composite components, the most typical stress raisers are holes. Although many efforts have been carried out in order to develop models for the strength and the fatigue life prediction there are no models available with general validity and suitable to be used during the design process. The proposed criterion was extended to the case of notched laminates, to achieve this aim fatigue groups for several kind of composite laminates with centered hole have been created. Then the fatigue groups were validated using external uniaxial, multiaxial and variable amplitude fatigue experimental data with different ratios between notch diameter and laminate width. Aautomotive structures/components are often subjected to impact loading during their in-service life, so it is important and helpful to be able to predict the fatigue life of the component after impact. Concerning this topic fatigue groups for different matrix architecture and different load ratio (R) have been created, the validation of these groups using external fatigue data has provided good results. Finally, the proposed criterion has been applied for the fatigue life assessment of composite sandwich structures and for composite-composite, composite-aluminum and composite-steel bolted joint obtaining very good results. All the activities that were carried out led to the development of a reliable engineering methodology for design against fatigue of composite structures for automotive applications subjected to in-service loadings.

I materiali compositi sono utilizzati nell’ambito delle auto da corsa dal 1981 grazie alle loro elevate prestazioni in termini di rigidezza e di resistenza associate ad una bassa densità rispetto ai materiali metallici comunemente utilizzati per applicazioni ingegneristiche. Oggi girono il loro utilizzo è stato ampiamente esteso alle vetture per utilizzo stradale per cui problemi di durabilità sono sorti in quanto il produttore deve garantire l’efficienza della struttura o del componente progettato per un periodo di tempo designato. Considerando queste problematiche l’obiettivo principale dell’attività di ricerca è stato quello di sviluppare modelli comportamentali e metodologie di testing per la progettazione a fatica di strutture in materiale composito per applicazioni automotive sottoposte ai carichi di esercizio. Dato l’estensivo utilizzo in ambito industriale di materiali compositi con rinforzo in tessuto soprattutto per la realizzazione di componenti strutturali come telai, sospensioni e profili aereodinamici, risulta indispensabile effettuare un’approfondita indagine dei parametri che influenzano il comportamento a fatica di tale materiale. Per cui un’estesa caratterizzazione del comportamento a fatica di laminati con rinforzo in tessuto di carbonio è stata effettuata (Capitolo 2) al fine di valutare l’influenza del rapporto nominale di ciclo (R) e dello spessore dello strato di rinforzo, parametro che risulta direttamente collegato all’ondulazione delle fibre, sul comportamento a fatica di tali laminati. Una volta che gli effetti di questi parametri sono stati chiariti l’interesse si è concentrato sulla previsione del comportamento a fatica di un profilo alare appartenente ad una vettura da competizione realizzato con il materiale precedentemente caratterizzato. I test a fatica nel componente (Capitolo 3) hanno permesso di trovare un modello affidabile per la previsione a fatica di componenti in materiale composito soggetti a carichi monoassiali. Sfortunatamente la maggior parte dei componenti utilizzati nell’ambito automotive presentano dei lay-up multi-materiale per cui all’interno del componente sono presenti lamine che hanno sia rinforzi unidirezionali che in tessuto. L’effetto del lay-up multi-materiale nel comportamento a fatica è stato investigato mediante lo svolgimento di test di fatica monoassiali in un profilo alare anteriore di una vettura competizione (Capitolo 4). L’utilizzo del modello comportamentale individuato nell’attività precedente ha fornito risultati significativi. Al fine di avere uno scenario completo risulta indispensabile investigare l’effetto dei carichi di esercizio (carichi multiassiali con ampiezza variabile) in un componente reale multi-materiale (Capitolo 5). Durante questa attività è stata sviluppata una metodologia di calcolo per la definizione dei carichi di servizio per un profilo alare e una volta che lo spettro di carico è stato definito sono stati svolti test sperimentali. Il modello individuato nelle attività precedenti non è in grado di fornire previsioni per sollecitazioni di fatica multiassiali per cui altri modelli reperiti in letteratura sono stati utilizzati per la stima del numero di cicli a rottura del componente. L’attività di previsione della vita a fatica ha permesso di mettere in luce la poca versatilità nell’utilizzo dei modelli selezionati in fase progettuale in quanto lo svolgimento di lunghi e costosi test sperimentali è richiesto per la calibrazione dei parametri per l’applicazione del modello. A seguito di queste considerazioni è stato deciso di estendere il modello valido per i carichi di fatica monoassiali, che aveva fornito ottimi risultati, ai carichi di fatica multiassiali (Capitolo 6). Il criterio si basa nell’utilizzo di curve di fatica semplificate definite tramite i rapporti di fatica, essi sono stati ottenuti mediante un’estensiva rianalisi di un elevato numero di dati sperimentali reperiti in letteratura riguardanti test di fatica con multiassialità di carico interna ed esterna. I dati sperimentali sono stati suddivisi in diversi gruppi in base ai seguenti parametri: tipo di fibra e architettura, tipo di matrice e rapporto nominale di ciclo. La definizione di un parametro che è in grado di tener conto del delle condizioni di carico e del loro effetto nella resistenza del laminato ha permesso l’estensione del modello ai carichi di fatica multiassiali. La definizione di una metodologia di calcolo che utilizza il criterio fenomenologico sviluppato ha permesso la valutazione del comportamento a fatica di laminati sottoposti a carichi di fatica ad ampiezza variabile (Capitolo 7) che rappresenta la più comune tipologia di carico per componenti utilizzati nel settore automotive. Dal momento che la metodologia di progettazione sviluppata è stata riconosciuta come un potente strumento ingegneristico per la previsione del comportamento a fatica di laminati in materiale composito è stata implementata in un software sviluppato utilizzando il codice Matlab (Capitolo 8) al fine di aiutare i progettisti durante la fase di progettazione. Per aumentare le potenzialità del criterio fenomenologico sviluppato per la previsione del comportamento a fatica di strutture automotive è stato deciso di estendere il criterio per tener conto dell’utilizzo di laminati ibridi (Carbonio/Vetro e Carbonio/Kevlar) e per la valutazione dell’effetto della temperatura nel comportamento a fatica di laminati in materiale composito. A seguito di un’estensiva validazione è stato dimostrato che utilizzando i gruppi di fatica sviluppati è possibile prevedere il comportamento a fatica di laminati ibridi con differenti architetture del rinforzo sottoposti a differenti rapporti nominali di sollecitazione. È stata possibile inoltre valutare il comportamento a fatica di laminati in composito sottoposti a basse ed elevate temperature. Ulteriormente l’effetto di intagli nel comportamento a fatica dei laminati è stato investigato, in quanto nel settore automotive c’è la necessita di unire componenti e strutture ed i fori sono stati identificati come il più comune intaglio. Per cui il criterio fenomenologico è stato esteso al caso di laminati con foro centrato mediante lo sviluppo di diversi gruppi di fatica che sono stati validati con l’utilizzo di dati esterni nei casi di sollecitazioni di fatica monoassiale, multiassiale e ad ampiezza variabile ottenendo ottimi risultati. Molto spesso durante la loro vita in esercizio i componenti e le strutture sono sottoposti ad impatti per cui è necessario essere in grado di predire il comportamento a fatica a seguito di un impatto. A questo fine diversi gruppi di fatica sono stati creati al fine di estendere il criterio sviluppato al caso di fatica dopo impatto, ed un’estesa validazione eseguita ha permesso di ottenere risultati molto soddisfacenti. Infine il criterio e le metodologia di progettazione sviluppata sono stati utilizzati per prevedere il comportamento a fatica di strutture sandwich e giunzioni bullonate (composito-composito, composito-alluminio e composito-acciaio) ottenendo ottimi risultati. Le attività svolte hanno consentito lo sviluppo di un’affidabile metodologia ingegneristica per la previsione a fatica di strutture in materiale composito soggette a carichi di esercizio.