A study on fiber-arrangement close to the root of a sharp notch, for short fiber-reinforced thermoplastics

An approach, which aims at the morphological characterization near the sharp notch of specimens, has been developed for Short Fiber-Reinforced Thermoplastics. This work is directly related to the fa- tigue behavior of such materials, since the early stages of the cyclic damage are strictly influenced by the local microstructure at the stress concentration sites. Therefore, a comprehensive description of fi- bers\u2019 arrangement is needed in order to proceed with a modeling activity for the lifetime duration esti- mation. To this end, a semi-automatic tool has been developed, which is capable of evaluating fiber- arrangements through statistical descriptors, after submitting 2D pictures of the notch-tip area. Particu- larly, the attention was focused onto the nearest neighbor distance distribution function and onto a new formulation, which gives information about the level of the fiber-clustering phenomenon. On this basis, the repeatability of results has been evaluated with the goal of stating whether such information can be inherited by lifetime estimating models

Multiscale modeling of short fiber-reinforced thermoplastics under fatigue loading

The present work falls within a wider framework concerning the prediction of the mechanical response of short glass fiber-reinforced thermoplastics (SFRT), which are commonly employed in the automotive industry to reduce the overall weight of the components. More in detail, the main objective of the thesis is to develop a fatigue criterion for predicting the effect of different factors affecting the fatigue strength of such materials. In this interest, the influence of the composite complex morphology (local fiber orientation and fiber content) and of notches giving rise to stress concentrations is taken into account. In the present thesis, an experimental activity related to plain and notched specimens is firstly presented. In this context, data resulting from computed tomography (CT) analyses are shown. The latter serve to evaluate the specimens’ fiber orientation distributions, which are quantified by means of fiber orientation tensors (FOT). Furthermore, fatigue test data on the considered coupons, in the absence and in the presence of notches (with radii of 0.1 mm, 0.2 mm, 2 mm and 5 mm), are presented for different fiber orientations and weight fractions (15 wt%, 25 wt%, 35 wt% and 50 wt%). Secondly, being aware of the fact that the onset of a macroscopic crack is driven by the evolution of damage at the matrix level, a multiscale fatigue model relying on matrix stress distributions is presented. The calculation of the matrix stress cumulative distribution functions is achieved by formulating an analytical numerical pseudo-grain approach (i) permitting to avoid the generation, mesh and solution of complex microstructures, but only relying on the solution of simple unidirectional cells. The pseudo-grain method is subsequently included in the formulation of a fatigue criterion, for plain (ii), at first, and for notched specimens (iii), subsequently. The proposed fatigue criterion is eventually validated with a bulk of experimental data, partially presented in this work. Namely, fiber orientation tensors are used to properly assign the anisotropic elastic properties to the developed numerical models and the presented fatigue data are employed to assess the efficacy of the model in terms of fatigue strength prediction.Questa tesi di dottorato di ricerca si inserisce all’interno di un quadro più ampio relativo alla previsione del comportamento meccanico di materie termoplastiche rinforzate con fibre corte di vetro. Tali materiali compositi sono spesso impiegati nell’industria automobilistica per ridurre il peso complessivo della componentistica coinvolta. L’obbiettivo principale di questo lavoro è legato alla necessità di sviluppare criteri di cedimento che prevedano l’influenza di diversi fattori sulla resistenza a fatica di tali materiali. In particolar modo, si è scelto di focalizzarsi sull’effetto della morfologia (orientazione locale e contenuto di fibre) e della presenza di intagli, che a loro volta danno luogo a concentrazioni tensionali. In questa tesi viene presentata innanzitutto l’attività sperimentale svolta. Ovvero si riportano dati relativi ad analisi ottenute tramite tomografia computerizzata (CT). Quest’ultima ha il ruolo di fornire informazioni sulle distribuzioni locali dell’orientazione delle fibre, le quali vengono quantificate tramite il tensore di orientazione delle fibre (FOT). Inoltre, si presentano dati relativi al comportamento a fatica di provini con e senza intagli (di raggio pari a 0.1 mm, 0.2 mm, 2 mm e 5 mm), considerando contemporaneamente l’effetto dell’orientazione delle fibre e delle loro frazioni di peso (15 wt%, 25 wt%, 35 wt% e 50 wt%). In secondo luogo, consapevoli del fatto che l’origine di cricche macroscopiche può essere imputata all’evoluzione del danneggiamento nella matrice, si propone un modello multiscala per la previsione della vita a fatica di tali compositi, basandosi sul calcolo delle distribuzioni tensionali locali. Il calcolo delle funzioni cumulate delle tensioni matriciali è ottenuto tramite la formulazione di un approccio analitico-numerico di tipo pseudo-grain (i). Quest’ultimo permette quindi di evitare la generazione, mesh e risoluzione di microstrutture complesse e di ottenere i risultati desiderati tramite semplici modelli numerici unidirezionali. Tale approccio viene poi inserito nella formulazione di un criterio di fatica per provini lisci (ii) e intagliati (iii). Il criterio proposto è poi validato con un numero consistente di dati sperimentali, parte dei quali è presentata in questo lavoro. In particolare, i tensori di orientazione delle fibre sono impiegati per assegnare le proprietà elastiche anisotrope ai modelli numerici. I dati di fatica sono invece utilizzati per verificare l’efficacia del modello in termini di previsione della resistenza a fatica di provini lisci e intagliati

Modellazione numerica per la previsione di vita a fatica di materiali compositi a fibra corta, in presenza di un intaglio acuto

Un approccio sviluppato per i compositi a fibra continua \ue8 stato adattato a materiali termoplastici rinforzati con fibre corte di vetro nell\u2019ambito della vita a fatica di componenti intagliati. Sono state modellate configurazioni rappresentative della microstruttura a bordo intaglio con la tecnica della sotto-modellazione. Per tener in considerazione l\u2019effetto della reale microstruttura e fornire le adeguate condizioni al contorno al sotto-modello, si \ue8 ricorso a metodi di omogeneizzazione presenti in letteratura, quali Mori\u2013Tanaka e Halpin-Tsai. Per includere l\u2019alta variabilit\ue0 della microstruttura, \ue8 stato sviluppato uno strumento in grado di generare una grande quantit\ue0 di configurazioni, permettendo di condurre analisi su diverse topologie. Sulla base di questo modello sviluppato a livello microscopico, si sono espresse le curve di fatica in termini della grandezza identificata come forza motrice del danneggiamento (tensione idrostatica), fornendo un'unica curva maestra con bassa deviazione standard

Fatigue life prediction of short fiber-reinforced thermoplastics

In order to predict the fatigue behavior of Short Fiber-Reinforced Thermoplastic (SFRT) parts, a large amount of experimental tests on specimens is generally required. It is known that the damage occurring in such materials, while cyclically loaded is a hierarchical process. Indeed, the composite degradation mainly develops at the matrix-level, driving the macro-properties decay up to the final failure of the component. The present work proposes a multiscale model that enables the prediction of lifetime duration of SFRTs, this implying a significant reduction of experiments for the material characterization. With the proposed criterion, a failure parameter derived from the stress distribution within the thermoplastic matrix is formulated. Nevertheless, the computation of the complete stress field within the composite requires the generation of equivalent microstructures, which frequently make use of complex algorithms. In this interest, an innovative approach based on the Pseudo-Grain methodology is hereby developed and validated in order to compute the cumulative stress distribution functions without relying on the generation of complex geometries. Eventually, the proposed micro-mechanical model has been validated with a bulk of experimental data, showing that the effect of fiber volume fraction and local fiber orientation onto the fatigue strength of SFRTs is well captured