Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali e delle Strutture, XXI Ciclo, a.a. 2009Lo scopo del presente lavoro di tesi `e costituito essenzialmente da uno studio sperimentale
e teorico dei fenomeni di localizzazione all’interno del materiale composito
PA66: un materiale composito a matrice polimerica e fibre corte di vetro a dispersione
random. La caratterizzazione del materiale `e avvenuta indagandone la risposta
sperimentale sotto carico e le propriet`a meccaniche attraverso un metodo di identificazione
inverso. Successivamente `e stato proposto un modello teorico in grado di
simularne il comportamento sotto condizioni di carico simili a quelle sperimentali, e
sono stati confrontati i risultati ottenuti nei due ambiti.
I fenomeni di localizzazione nei materiali compositi sono da attribuire ai processi
di degradazione generati dai cambiamenti microstrutturali. Tali cambiamenti sono
responsabili di modalit`a di danneggiamento tipiche, provocate dalle degradazioni delle
fibre, della matrice o dell’interfaccia tra la matrice e le fibre.
Nel capitolo 1 `e stata illustrata la tecnica sperimentale utilizzata per le prove di
laboratorio e la successiva analisi dei dati. Tale tecnica `e nota in letteratura come
Correlazione delle Immagini Digitali e fa uso di strumenti avanzati per la ripresa,
ad elevata frequenza, di immagini granulari sequenziali della superficie del campione
sottoposto a prove meccaniche. La possibilit`a di integrare tali strumenti avanzati,
che non richiedono il contatto con il corpo da indagare e metodologie computazionali
capaci di sfruttare le potenzialit`a dei microcalcolatori attualmente disponibili, rende
possibile misurare in maniera accurata tutte le grandezze cinematiche necessarie a
descrivere il processo evolutivo del materiale fino al suo stato ultimo.
Una sintesi dei metodi di identificazione inversi, disponibili in letteratura, `e stata
discussa nel capitolo 2, all’interno del quale `e stato altres`ı descritto il metodo inverso
utilizzato in questa tesi. Tale metodo `e integrabile nel contesto del metodo del GAP
nelle equazioni costitutive. Nello stesso capitolo `e stata indagata la robustezza del
metodo, conducendo un’analisi di ottimizzazione dei parametri di filtering. Il metodo
di identificazione inverso `e stato implementato in un programma agli elementi finiti,
per applicare la metodologia di identificazione ai risultati sperimentali ottenuti dalle
1
Sommario
prove di laboratorio.
La valutazione dei fenomeni di danneggiamento e di plasticit`a `e stata affrontata
nel contesto della Meccanica del Danneggiamento Continuo, in cui il danneggiamento
`e definito in funzione delle microfratture e dei vuoti presenti nel materiale. Nel capitolo
3 si riporta una descrizione del meccanismi di danneggiamento, introducendo
componenti di degradazione intralaminare, ed ipotizzando una risposta isotropa del
materiale. Le condizioni di formazione e di crescita delle microfratture sono state
formulate attraverso un dominio di danneggiamento, la cui frontiera rappresenta la
zona di separazione tra le parti elastica ed anelastica. L’evoluzione del danneggiamento
`e stata descritta facendo uso di un approccio incrementale-iterativo basato
sulla metodologia delle variabili interne. In particolare, al fine di stimare lo stato di
danneggiamento nel materiale sono stati definiti opportuni domini di danneggiamento
e leggi di evoluzione dipendenti da un numero minimo di parametri del materiale.
La descrizione delle deformazioni plastiche fa uso di una formulazione associata, nella
quale il dominio ed il potenziale di dissipazione sono rappresentati nel sistema di
riferimento effettivo. In questo modo `e stato realizzato un accoppiamento, in senso
termodinamico, tra i fenomeni di danneggiamento e di plasticit`a. All’interno del capitolo
4 `e stato descritto l’algoritmo utilizzato per l’integrazione delle equazioni relative
al danneggiamento ed alla plasticit`a. Il modello costitutivo `e stato implementato per
mezzo di una formulazione agli elementi finiti, per ottenere soluzioni compatibili con
quelle sperimentali per geometria e condizioni di carico. I parametri introdotti nelle
equazioni costitutive sono stati in parte ricavati dalle prove sperimentali ed in parte
ricavati da un’analisi bibliografica.
I risultati delle prove sperimentali, analizzati con la tecnica della correlazione delle
immagini digitali sono stati riportati nel capitolo 5. In tale capitolo sono discussi i
fenomeni di localizzazione, evidenziati dalle grandezze cinematiche misurate, ed i risultati
della procedura di identificazione, tramite la quale `e stata effettuata anche una
stima del danneggiamento subito dal materiale PA66 nel corso della prova monotona
di carico. Nello stesso capitolo viene proposto un confronto tra i risultati sperimentali
e quelli numerici, al fine di valutare l’accuratezza e l’affidabilit`a del modello teoricoUniversità degli Studi della Calabri