Procedure per la valutazione della tensione normale interlaminare in laminati curvi in composito modellati agli elementi finiti: valutazioni critiche e applicazioni su componenti di Formula Uno.

Composite materials as carbon fiber reinforced polymer are often used in many industrial fields, specially where lightweight design is the prerogative to extract performance from structural components, some examples are automotive, aerospace, or sports equipment structures. Anisotropy is the main feature of composites materials, on one side this property is cleverly used to obtain a remarkable performance/weight ratio on, but on the other side there's a complex stress state to evaluate. The present contribution deals with the evaluation of the normal component of interlaminar stress in curved composite laminates subject to remote loads. Although those stress components are usually smaller than their in-plane counterparts, the comparably limited adhesion strength of the interlaminar interfaces causes the experience of delaminations, specially in curved laminates, resulting in reduced stiffness and strength of the structural component, and even a higher probability of failure or need for premature component substitution. A Finite Element (FE) model is nowadays usually required during the design phase in order to evaluate composite components behavior by a stress and stiffness point of view. Shell finite elements models are often used for composite components due to their computational efficiency and modeling flexibility mixed with discrete accuracy in terms of displacements results and in-plane stresses estimation. Nevertheless, the customary shell finite element formulation neglects the contribution of the Interlarminar Normal Stress (ILNS) component to internal energy and to the stress state characterization. A good estimation of what is the interlaminar stress state of a composite component could be obtained with solid FE models, or mixed 2D/3D FE models, or cohesive elements and surfaces. But a model developed for post-processing and implemented with linear shell element types may represent a good opportunity to maintain the FE model complexity at reasonable levels. The model for the evaluation of ILTS under investigation requires information about curvatures that can be obtained by a simple shell FE model, and it is applied on a four point bending test case which is usually adopted for ILNS evaluation of composite components. The experimental results and the model results are compared and a solid FE model is added to the comparison. Furthermore, the applicability of the model on a more complex matrix is investigated, using as a case study a Formula One front wing. A test case consisting in a static loading is evaluated and also a dynamic load case involving a modal transient analysis.

I materiali compositi come polimeri rinforzato con fibra di carboniosono spesso utilizzati in molti campi industriali, specialmente dove una progettazione volta alla riduzione del pesoè la prerogativa per estrarre performance da conmponenti strutturali, alcuni esempi sono campo automotive, aerospaziale, o equipaggiamenti sportivi. Riguardo i materiali compositi, una delle loro caratteristica più rilevante è l'anisotropia. Se da un lato questa caratteristica viene intelligentemente utilizzata per ottenere un rapporto performance/peso ragguardevole, dall'altro non bisogna sottovalutare la complessa valutazione del loro stato tensionale. Il presente contributo si occupa della valutazione della componente normale dell'interlaminar stress nei laminati curvi in materiale composito soggetti a forze esterne. anche se queste componenti dello stato tensionale sono di solito più piccole rispetto alle loro controparti nel piano, la limitata resistenza adesiva delle interfacce tra le lamine è causa di delaminazioni, specialmente in laminati curvi, ciò comporta una riduzione della rigideza e della resistenza delle componenti strutturali, ed anche un aumento della probabilità di rottura o il bisogno di una sostizione prematura del componente. Al giorno d'oggi, durante la fase di progettazione, si fa spesso ricorso a modelli agli elementi finiti per valutare il comportamento a rigidezza e resistenza delle componenti in composito. i modelli shell agli elementi finiti sono spesso utilizzati su componenti in composito a causa della loro efficienza computazionale e flessibilità di modellazione con in aggiunta una discreta accuratezza in termini di risultati riguardanti gli spostamenti e la stima degli stress nel piano. Ma la formulazione shell agli elementi finiti trascura ilcontributo dell'interlaminar Normal Stress (ILNS) all energia interna e alla caratterizzazione dello stato tensionale. Una buona stima di come si presenta lo stato tensionale interlaminare di un componente in composito si può ottenere con modelli solidi FE o con modelli misti 2D/3D, on con l'utilizzo di elementi o superfici coesivi. Tuttaviaun modello sviluppato per l'utilizzo nel post-processing e implementato con elementi shell lineari potrebbe rappresentare una buona opportunità di mantenere la complessità di un modello FE a livelli ragionevoli. Il modello sotto esame per ricavare l' ILNS richiede informazioni riguardanti le curvature del componente che possono essere ottenute da un modello shell agli elementi finiti. Questo modello è applicato ad un test di flessione a quattro punti che viene tipicamente usato per valutazioni rigrado l'ILNS su provini in composito. i risultati sperimentali sono messi a confronto con il modello per la valutazione dell'ILNS e un modello solido agli elementi finiti. Inoltreè stata studiata l'applicabilità del modello su casi più complessi come un'ala anteriore di Formula Uno. Un primo test consiste in un caricamento statico dell'ala ed infine è stato valutato un caso di carico dinamico con l'ausilio di un'analisi Modal Transient.