Simulazioni numeriche di materiali non-convenzionali per applicazioni automobilistiche: danneggiamento progressivo di laminati compositi e studio della risposta elettro-meccanica di sensori in materiale composito a matrice polimerica e nanotubi di carbonio

In the present scenario, the most challenging topics in the automotive field are weight reduction and real-time data acquisition during vehicle operating conditions. For weight reduction purpose, composite materials are commonly applied due to their high stiffness-to-weight ratio and to their high energy absorption properties under impact. In this thesis work, a numerical methodology has been carried out to investigate the crashworthiness due to the progressive failure of composite laminate induced by a Low-Velocity Impact test. Two different FE models are applied to model the damage onset and propagation: firstly, a shell‐based model and, secondly, a solid‐based model using Cohesive Zone Method (CZM). In the CZM, the analytical modelling of the cohesive element properties is adopted, and the critical force evaluated experimentally is related to the energy release rate of mode II, and to the equivalent elastic properties of the laminate. The strength and weakness of the proposed approach in mimicking the impact behaviour and the actual failure mechanism, are discussed, and validated against LVI experimental test on a quasi‐isotropic laminate manufactured via compression moulding process. The models are in good agreement with the experimental results; in fact, the relative error of the maximum force is about 4 per cent and the internal failure mechanism detected using Computerized Tomography (CT) is well-captured. Among composites, nano-reinforced polymer are used as sensors which can be integrated into the tyre of a vehcicle to measure the tyre-road loads; this innovative tyre concept is called “intelligent tyres”. When Carbon NanoTube (CNT) composite sensors are considered, numerical models based on Finite Element method, have to be able to mimic their mechanical properties (i.e. Young’s Modulus), electrical properties (i.e. the material conductivity), and piezoresistive properties (i.e. the conductivity variation when a strain field is applied). Then, the second part of this thesis deals with the development of a numerical methodology for the evaluation of the electro-mechanical response of a strain sensor with embedded CNTs. In this methodology, homogenization techniques have been applied to predict the material equivalent properties. These techniques are based on the definition of a Representative Volume Element (RVE) that allows the random dispersion of CNT within the matrix. The two multiphysics simulations have been performed via a self-built algorithm that rationalizes the electrical phenomena when a strain field is applied to the RVE. The models are in good agreement with the experimental data available in the literature; in fact, the relative error of Young’s Modulus and of the electrical resistivity are about 0.3 per cent and 17 per cent, respectively.

Oggigiorno, i temi di grande interesse nel campo automobilistico sono la riduzione del peso e l'acquisizione di dati in tempo reale durante la marcia del veicolo. Ai fini della riduzione del peso, i materiali compositi vengono comunemente applicati grazie al loro elevato rapporto rigidezza-peso e alle loro elevate proprietà di assorbimento dell'energia durante l'impatto. In questo lavoro di tesi è stata sviluppata una metodologia numerica per valutare l’assorbimento energetico dovuto al progressivo cedimento del laminato composito indotto da un impatto a bassa velocità (LVI). Per modellare l'insorgenza e la propagazione del danno sono stati sviluppati due diversi modelli ad elementi finiti: in primo luogo, un modello basato su elementi “piastra” e, in secondo luogo, un modello basato su solidi utilizzando il metodo “cohesive zone” (CZM) per la modellazione della rottura per delaminazione. Nel CZM è stata adottato un modello analitico per la definizione delle proprietà dell'elemento coesivo, in particolare questo modello correla la tenacità relativa al modo di rottura a taglio fuori piano della lamina (modo II) alla “forza critica” valutata sperimentalmente ed alle proprietà del laminato in oggetto. La capicità dell'approccio proposto nel predirre il comportamento in seguito all'impatto e l'effettivo meccanismo di rottura, vengono discusse e convalidate rispetto al test sperimentale LVI su un laminato quasi-isotropo prodotto tramite processo di stampaggio a compressione (compression moulding). I modelli risultano in buon accordo con i risultati sperimentali; infatti, l'errore relativo della forza massima dovuta all’impatto è inferiore del 4 per cento e il meccanismo di rotture interne al laminato rilevato sperimentalmente mediante Tomografia Computerizzata (CT) è ben rappresentato nei risultat numerici. Tra i compositi, i polimeri nano-rinforzati sono usati come sensori che possono essere integrati nella struttura dello pneumatico di un veicolo per misurare i carichi di interazione pneumatico-strada; questo concetto innovativo di pneumatico è chiamato "pneumatico intelligente". Quando si considerano i sensori realizzati in compositi caricati a nanotubi di carbonio (CNT), i modelli numerici basati sul metodo degli elementi finiti devono essere in grado di misurare le loro proprietà meccaniche (il modulo di Young), le proprietà elettriche (la conducibilità elettrica) e il suo comportamento piezoresistivo (cioè la variazione di conducibilità in seguito all’applicazione di un campo di deformazione). La seconda parte di questa tesi riguarda lo sviluppo di una metodologia numerica per la valutazione della risposta elettro-meccanica di un sensore di deformazione carico con nanotubi di carbonio. In questa metodologia, sono state applicate tecniche di omogeneizzazione per prevedere le proprietà equivalenti dei materiali. Queste tecniche si basano sulla definizione di un volume rappresentativo del materiale (RVE) che consente di cogliere la dispersione casuale di CNT all'interno della matrice. L’accoppiamento delle due simulazioni multifisiche è stato eseguito tramite un algoritmo auto-costruito per la modellazione della variazione delle proprietà elettriche quando un campo di deformazione viene applicato all'RVE. I modelli sviluppati sono in buon accordo con i dati sperimentali disponibili in letteratura; infatti, l'errore relativo del modulo di Young e della resistività elettrica sono rispettivamente di circa 0,3 per cento e 17 per cento.