METODOLOGIA DI SVILUPPO DI COMPONENTI STRUTTURALI IN MATERIALE COMPOSITO

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1 COME INNOVARE CON I MATERIALI INNOVATIVI: MATERIALI E METODOLOGIE PER LO SVILUPPO PRODOTTO Marina di Carrara 22 ottobre 2009 METODOLOGIA DI SVILUPPO DI COMPONENTI STRUTTURALI IN MATERIALE COMPOSITO Marino Quaresimin Dipartimento di Tecnica e Gestione dei sistemi industriali Università di Padova marino.quaresimin@unipd.it Marino Quaresimin - Metodologia di sviluppo di componenti strutturali in materiale composito 1

2 Fasi di sviluppo prodotto Analisi soluzione esistente o delle specifiche del nuovo prodotto Definizione geometria preliminare Individuazione del sistema fibra/matrice Scelta del processo Analisi accurata delle zone di collegamento Caratterizzazione materiali, giunzioni e sottostrutture Modellazione ad elementi finiti, definizione configurazione di progetto e successiva ottimizzazione Validazione Marino Quaresimin - Metodologia di sviluppo di componenti strutturali in materiale composito 2

3 Scelta del sistema fibra/matrice Da fare sulla base dei requisiti generali e delle prestazioni attese dal componente (resistenza e/o rigidezza) Matrice: in funzione principalmente delle condizioni ambientali Fibra: rigidezza (spesso carbonio) o resistenza (anche vetro..) I limiti in termini di proprietà elastiche (20-25 GPa per vetro e indicativamente GPa con carbonio), possono essere superati lavorando sulla geometria Marino Quaresimin - Metodologia di sviluppo di componenti strutturali in materiale composito 3

4 Zone di collegamento (giunzioni e inserti) Rappresentano spesso le zone più critiche del componente! Nel caso di collegamenti incollati, adeguatamente progettati è possibile arrivare al cedimento del laminato nel caso di sollecitazioni cicliche questo non succede MAI, la rottura è sempre controllata dall adesivo.. In presenza di carichi ciclici si possono avere notevoli riduzioni della capacità portante del laminato Marino Quaresimin - Metodologia di sviluppo di componenti strutturali in materiale composito 4

5 Esempi di cedimento di giunzioni incollate statica fatica Marino Quaresimin - Metodologia di sviluppo di componenti strutturali in materiale composito 5

6 Caratterizzazione materiali giunzioni e sottostrutture La caratterizzazione a resistenza indispensabile per previsioni di resistenza affidabili, la caratterizzazione elastica per sviluppare modelli ad elementi finiti realistici! Caratterizzazione zone di collegamento fondamentale per i componenti strutturali Problematiche particolari: resistenza interlaminare, a fatica e ad impatto Marino Quaresimin - Metodologia di sviluppo di componenti strutturali in materiale composito 6

7 Modellazione ad elementi finiti È importante per poter fare prototipazione virtuale e analizzare svariate soluzioni in termini di geometria e materiali impiegati Consente di ottimizzare il comportamento della soluzione prescelta e di minimizzare l impiego di materiali pregiati (e costosi..!) DEVE essere supportata da dati affidabili sui materiali.. Anche nel caso di modelli semplificati devono essere incluse tutte le features proprie del prodotto. Marino Quaresimin - Metodologia di sviluppo di componenti strutturali in materiale composito 7

8 Esempio Quaresimin M., Meneghetti G. and Verardo F. Design and optimisation of a RTM composite bicycle crank, Journal of Reinforced Plastic and Composites 2001, 20 (2) pp Marino Quaresimin - Metodologia di sviluppo di componenti strutturali in materiale composito 8

9 Elementi solidi ortotropi layered (pelli in composito) Strato di adesivo Inserti in lega di alluminio Elementi solidi isotropi (schiuma) Marino Quaresimin - Metodologia di sviluppo di componenti strutturali in materiale composito 9

10 Aspetti particolari 4PB Shell Strain gauges Solid Strain gauges Quaresimin M., Michelazzo L., Numerical modelling and experimental analysis of composite sandwich structures, Ansys Conference and Users' Meeting Vol.I pp , September 2002, Bergamo-Italy Marino Quaresimin - Metodologia di sviluppo di componenti strutturali in materiale composito 10