PROGETTO DI GIUNZIONI RIVETTATE SU MATERIALE COMPOSITO CFRP

PROGETTO DI GIUNZIONI RIVETTATE SU MATERIALE COMPOSITO CFRP F. Ghezzo a, G. Minak a, G. Caligiana a a DIEM-Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia, Università Bologna, Viale del Risorgimento 2-40136 Bologna (BO), e-mail: fabrizia.ghezzo@mail.ing.unibo.it SOMMARIO Nel seguente lavoro vengono presentati i risultati di una ricerca sperimentale condotta su giunti rivettati in CFRP unidirezionale quasi isotropo con lay-up simmetrico sottoposti a carico quasi-statico. Di seguito verranno messe a confronto le resistenze di sette differenti geometrie di giunto a due e tre file di rivetti in acciaio inox AISI 316 a testa tonda di 3 e 4 mm di diametro a singola e a doppia sovrapposizione. Le varie prove sperimentali, almeno tre per ciascuna geometria, condotte in controllo di spostamento alla velocità di 0,02mm/sec su di una macchina servo-idraulica Instron 8033, hanno portato alla visualizzazione della resistenza di ciascun tipo di giunto e del modo di frattura più frequente. Il carico massimo sopportato dal collegamento, alla medesima velocità di prova, si è presentato inevitabilmente dipendente dal tipo di rivetti scelto, dalla configurazione geometrica del collegamento, dal numero di file di rivetti e dalla loro reciproca distanza, ed infine dal lay-up stesso del materiale considerato. ABSTRACT (CAPITAL, Times New Roman, bold, 12 pt, left justified) In the present work test results on riveted single and double lap composite joints are presented. Seven joint configurations were realised choosing stainless steel AISI 316 blind rivets in order to obtain the maximum shear resistance. The experimental tests are performed in displacement control at the same velocity of 0.02mm/sec in a servo-hydraulic machine Instron 8033. Ultimate strength resistance is reported, in this paper, for each kind of joint. Its more frequent type of fracture is described, which depends on the type of rivet chosen, the geometrical configuration of the joint, the material lay-up, the numbers of rows of rivets and the distance between two of them. 1. INTRODUZIONE I materiali compositi rinforzati in carbonio a fibra lunga trovano vasta applicazione strutturale in campi tecnologicamente avanzati come quello aeronautico, ma anche in quei settori dell industria ove si abbia l esigenza di ottenere elevate caratteristiche meccaniche per elevate

prestazioni e maggiore produttività. Sebbene siano materiali caratterizzati da elevata resistenza se valutati secondo rapporti di resistenza/peso, e da buona resistenza a fatica, i compositi sono trattati comunque con molta attenzione quando se ne disegnano le giunzioni visto il loro inserimento in strutture che devono garantire elevata affidabilità e sicurezza. L applicazione di giunti rivettati o bullonati si ha, ad esempio, in strutture con componenti che necessitano di regolare manutenzione e che per tal motivo debbano essere disassemblati. E ben noto come la tecnologia dei collegamenti meccanici sia di fondamentale importanza nella trasmissione dei carichi tra varie parti di un componente, ma la presenza di fori per l inserimento di rivetti induce la presenza di un fattore di concentrazione delle tensioni. In corrispondenza di tali zone, dunque, in fase di progetto va valutata l influenza reciproca tra i fori e determinata una distanza minima per ottenere un ottimo trasferimento del carico e impedire una rottura catastrofica della giunzione, come il taglio netto della sezione. Al fine di individuare dunque una metodologia per un progetto ottimale dei giunti, vengono presentati di seguito i risultati di una serie di test sulla resistenza di sette tipi di giunti a rivetti di 3 e 4 mm. 2. MATERIALE ED ATTREZZATURE Il materiale preso in considerazione per la realizzazione dei giunti è un laminato unidirezionale quasi isotropo costituito da matrice in resina epossidica e rinforzo in fibra lunga di carbonio T300 (V f = 60%) disposto in 8 strati con lay-up [0,45,-45,90] s di spessore complessivo 1,6 mm. Le principali caratteristiche di resistenza meccanica del materiale sono state determinate in una campagna di prove sperimentali antecedenti alla presente e sono riassunte in Tabella 1 in cui vengono riportate anche le tensioni ultime di rottura del materiale con intaglio di ugual diametro dei rivetti utilizzati. Lay-up ν 12 E 1 σ uliscio [MPa] σ uforato3mm [MPa] σ uforato4mm [MPa] [0,45,-45,90 ] s 0.28 24500 650 526 488 Tabella1. Principali caratteristiche meccaniche determinate sperimentalmente. Per la realizzazione del collegamento si sono scelti dei rivetti a testa tonda standard AISI 316 Inox. La scelta di questo materiale è avvenuta tenendo in conto la sua elevata resistenza a taglio (2kN per i rivetti da 3mm di diametro e 4 kn per quelli da 4mm) e l assenza di alluminio, presente nelle leghe con cui sono realizzati i rivetti commercialmente più diffusi, responsabile dell innesco di processi di corrosione galvanica durante la vita della struttura col carbonio costituente le fibre di un materiale composito [1]. In Tabella 2 si ha una descrizione dei sette tipi di giunto considerati e la loro denominazione di riferimento durante le prove sperimentali. Configurazione N di rivetti File di rivetti Diametro [mm] Denominazione single-lap 2 1 3-4 sl 213-214 single-lap 3 1 3-4 sl 313-314 single-lap 4 2 3-4 sl 423-424 double-lap 2 1 3 dl 213 double-lap 3 1 3 dl 313 double-lap 4 2 3 dl 423 double-lap 6 2 3 dl 623 Tabella 2.

Le diverse configurazioni geometriche dei giunti e le loro dimensioni, Fig. 1, sono state disegnate seguendo quanto presente in letteratura [2-6] e le considerazioni fatte su risultati ottenuti da prove condotte su provini con intaglio [7-8], per verificare l influenza delle dimensioni del foro sul materiale ed evitare gli effetti di bordo [9-12]. La necessità di rispettare le distanze dei fori per l inserimento dei rivetti dai bordi della giunzione e la distanza minima tra loro, risulta molto importante per il carico unitario di rottura del collegamento e per limitare gli effetti di danneggiamento che un singolo rivetto attua nella zona ad esso immediatamente adiacente. La distanza minima del foro dal bordo del giunto, per i compositi, è funzione del lay-up del laminato considerato [13]. Fig. 1. Disegno di alcune configurazioni geometriche del collegamento. I fori per l inserimento dei rivetti sono stati effettuati con punte 101X Master che, per la loro maggiore affilatura a geometria speciale, hanno garantito una buona finitura interna del foro e soprattutto la quasi completa assenza di delaminazione dello strato superficiale a 0. Le prove quasi-statiche di caratterizzazione del materiale liscio e con intaglio e le prove sui giunti sono state eseguite tramite una attrezzatura [14] (Fig. 3-4), che ha consentito un migliore allineamento del treno di carico della macchina con l asse del provino per evitare la presenza di carico flessionale. Per la verifica dell allineamento,dunque, è stato utilizzato un provino di alluminio strumentato con 6 estensimetri collocati a coppie in tre zone ad ugual distanza lungo la lunghezza libera, simmetricamente disposti sulle due facce del provino ( Fig. 3.). Ciascun estensimetro è stato collegato a quarto di ponte ad una centralina estensimetrica a 10 canali che ha consentito il monitoraggio della flessione indotta sul provino durante il serraggio degli afferraggi. L importanza del centraggio del carico rispetto all asse del provino, si è rivelata di notevole rilievo visto che in alcuni casi, (sl 213), la rottura del giunto è avvenuta per carichi massimi molto bassi.

Fig. 2. Afferraggi utilizzati [14]. Fig. 3. Prova con Giunto single-lap a 3 rivetti. 3. PROVE QUASI-STATICHE La campagna di prove sperimentali descritte in questo lavoro è stata effettuata su una macchina servo-idraulica Instron 8033 con cella di carico di 250 kn calibrata a 25 kn per una maggiore sensibilità nell acquisizione dei dati. Per ogni tipologia geometrica di giunto sono state condotte almeno tre prove, volte alla determinazione della resistenza del collegamento e soprattutto alla visualizzazione del loro cedimento. Tutte le prove sono state condotte in controllo di posizione ad una velocità di 0,02 mm/sec. I dati sono stati acquisiti tramite software Station Manager versione 3.1, MTS Corporation. 3.1 Single-lap Questo tipo di giunto ha presentato in tutte le sue geometrie ed in tutte le ripetizioni di ciascun test ( da 3 a 4) un tipo di rottura per sfilamento dei rivetti dal loro foro con conseguente apertura del collegamento senza la completa rottura del materiale. Tutte le prove effettuate su questa tipologia di giunto hanno mostrato il medesimo andamento, con carichi sopportati maggiori all aumentare del numero di rivetti e del loro diametro. L andamento della resistenza per le varie geometrie, è illustrato nelle Figure 4a.-e. seguenti, mentre in Tabella 3 sono riportati i carichi massimi (F max ) raggiunti durante le prove, mediati nel numero di prove effettuate per lo stesso tipo di geometria. (a) (b)

(c) (d) (e) Fig.4. Curve carico-spostamento per i diversi tipi di configurazioni SL a rivetti di 3 e 4 mm. Configurazione sl 213 214 313 314 423 424 F max [kn] 3.3 4.9 5.3 7.2 6.0 8.9 F max3diametro / F max4diametro 0.67 0.75 0.67 Tabella 3. Dai grafici si può notare come l andamento delle curve del carico in funzione dello spostamento siano analoghe per tutte le prove. In particolar modo, ciascuna curva presenta delle zone ben distinte: in un primo tratto rettilineo, la resistenza a taglio dei rivetti e la resistenza del materiale equilibrano la forza esterna applicata; all aumento ulteriore del carico, la curva si inclina sia per la delaminazione del foro che per la plasticizzazione dei rivetti che iniziano a deformarsi e a ruotare nella loro sede. Quando l inclinazione del rivetto è tale da permettere al gambo di uscire dal foro deformato dalla pressione esercitata al suo interno, si ha un crollo della resistenza. Si può osservare, inoltre, che per le configurazioni a una e due file di rivetti con due rivetti per fila ( ossia sl213/sl214 e la configurazione sl423/sl424), il rapporto tra il carico sopportato dal giunto realizzato con rivetti di 3mm di diametro rispetto a quello raggiunto dalla stessa geometria con rivetti di 4 mm si sia rivelato lo stesso, (213/214 = 423/424) Tabella 3. Al termine della prova, ciascun provino è stato osservato al microscopio. L a Figura 5 mostra due esempi di come si presenta la superficie intermedia di contatto tra le due parti in composito collegate tra loro.

(a) (b) Fig.5. Delaminazione ai bordi dei fori per sl 424 e sl 314 L osservazione delle zone danneggiate durante la prova ha consentito di verificare come la distanza minima tra i fori e tra le file di rivetti (4 volte il loro diametro) lungo la direzione del carico e trasversalmente ad esso si è rivelata sufficiente per affermare che le zone di delaminazione tra i vari fori non si sono influenzate a vicenda. La superficie a contatto tra le due parti in composito evidenzia una delaminazione ai bordi dei fori con il distacco ed il sollevamento della fibra a 0 soggetta al carico incrementato per effetto della concentrazione di tensione. Effetto che aumenta all aumentare del diametro del rivetto e comunque minore sulla superficie in cui sono presenti le teste dei rivetti, che con la loro pressione, limitano ed impediscono il distacco della fibra. Ogni rivetto ha agito indipendentemente su una zona circoscritta ad esso, che si è verificata essere circa uguale per tutti i fori disposti su di una stessa fila. Per due file di rivetti invece il comportamento si è rilevato diverso. Con riferimento alla Figura 7, la fila di rivetti indicata con 1 ha avuto una deformazione maggiore. Durante la prova, infatti, si è verificata una rotazione del bordo libero del giunto contraddistinto con la lettera B, nella parte del collegamento opposta alla testa dei rivetti. Ciò si è avuto per effetto dell accumulo di materiale ( delaminato per la compressione esercitata sul foro dal rivetto) tra le superfici a contatto del collegamento che ha agito aiutando l apertura del giunto e l uscita stessa del rivetto. I rivetti della fila 1, invece, sono rimasti per più tempo sotto carico. A 1 2 B C Fig. 7 3.2 Double-lap A differenza del tipo di giunto precedente, la tipologia a doppia sovrapposizione non ha visto la rotazione dei rivetti nella sede, impedita dalla stessa configurazione geometrica, ma ha mostrato invece una rottura improvvisa e catastrofica della sezione intermedia a carichi molto elevati. Tutti i tipi di giunto a doppia sovrapposizione hanno mostrato, infatti, una resistenza a trazione molto più alta dei rispettivi giunti a singola sovrapposizione. In Figura 8 sono riportati gli andamenti sommari delle prove condotte.

kn 623 18 14 423 10 313 213 6 2-1 1 3 5 7 9 11-2 (a) (b) Fig.8. Curve riassuntive su giunti DL e frattura vista nello spessore per dl 313 L improvvisa rottura del giunto si può notare dalla brusca caduta del carico delle curve di resistenza delle 4 diverse configurazioni double-lap. Si possono notare inoltre alcune parziali cadute di carico durante le prove, segno di cedimenti interni del materiale. L innesco e la progressione repentina della frattura, è stata poi ricostruita su osservazioni al microscopio (Fig. 8). La rottura si è propagata per effetto del cedimento della lamina meno resistente al carico, quella a 90, che ha provocato una diminuzione della sezione resistente della parte intermedia del collegamento arrivato nel frattempo a carichi molto elevati. La presenza di un distacco delle fibre così forte è indice infatti, di un cedimento improvviso. 4. CONCLUSIONI E SVILUPPI Nel lavoro sono stati presentati i risultati di una ricerca sperimentale, appartenente ad un più ampio programma di studio sui materiali compositi in corso presso il DIEM, condotta su giunti rivettati a singola e doppia sovrapposizione in CFRP unidirezionale quasi isotropo e simmetrico. La campagna di prove è stata effettuata utilizzando la stessa velocità di spostamento del martinetto della macchina di prova per tutte le 7 differenti configurazioni. I risultati si possono così riassumere: - I giunti a singola e doppia sovrapposizione consentono l aumento del carico massimo di taglio tollerato all aumentare del numero dei rivetti anche se esiste un limite dettato dalla minima distanza tra due rivetti tra loro. Minore è questa distanza maggiore è l influenza che i rivetti esercitano fra loro inducendo una sovrapposizione degli effetti di danneggiamento. - Tutte le tipologie a singola sovrapposizione hanno presentato il distacco del collegamento senza la rottura completa della sezione. La resistenza del materiale alla delaminazione interna del foro, molto minore della resistenza a taglio del rivetto, ha indotto una deformazione del foro tale da consentire l uscita del rivetto dalla sua sede. - Indipendentemente dal diametro dei rivetti, la distanza trasversale tra i fori può essere minore rispetto quella longitudinale lungo la stessa direzione del carico. Il lay up del materiale, infatti, ha una notevole importanza. Il carico agente nella stessa direzione dello strato superficiale a 0 favorisce la delaminazione superficiale e la concentrazione delle tensioni per la presenza di intaglio provoca il distacco delle fibre a 0 disposte lungo i

bordi del foro. La delaminazione, dunque, lungo la direzione del carico interessa una zona maggiore rispetto a quella tra un rivetto e l altro posto al suo fianco. - I rivetti a 3 mm di diametro presentano delaminazioni dei fori molto basse, mentre i fori da 4 mm di diametro invece causano maggiori danni. La zona interna al foro si presenta molto frastagliata ed alcuni strati interni si sono distaccati per effetto del carico di taglio esercitato sul gambo del rivetto. - Il tipo di giunto a doppia sovrapposizione ha maggior resistenza rispetto alla stessa configurazione a singola sovrapposizione, ma presenta le rotture più catastrofiche. Il taglio netto della sezione avviene in modo molto veloce subito dopo il superamento della sua resistenza massima per il materiale costituente la parte intermedia del collegamento. La presente indagine, verrà ripetuta in un numero limitato di prove per le stesse configurazioni scelte nel presente lavoro, con rivetti di diverso tipo per mettere in luce le diverse modalità di danneggiamento della giunzione. Seguirà poi una compagna di prove sperimentali, per la determinazione della durata di vita a fatica del collegamento nelle sue configurazioni geometriche rivelatesi più resistenti. 5. RINGRAZIAMENTI Questa ricerca è stata condotta nell ambito del progetto: Metodologie di progettazione a fatica di giunti in materiale composito COFIN2002. Gli autori ringraziano in modo particolare il responsabile del suddetto progetto per l Università di Bologna, il professore Sergio Curioni ed i tecnici del laboratorio del DIEM. 6. BIBLIOGRAFIA [1] S. Payan, Y. Le Petitcorps, J.-M. Olive, H. Saadaoui, Experimental procedure to analyse the corrosion mechanisms at the carbon/aluminium interface in composite materials, Composite: Part A: applied science and manifacturing, Vol. 32, 2001, pp. 585-589 [2] Q.M. Li, R.A.W. Mises, R.S. Birch, Static and dynamic behaviour of composite riveted joints in tension, Int. Jour. of Mechanical Sciences, Vol. 43, 2001, pp. 1591-1610 [3] R. Starikov, J. Schön, Quasi-static behaviour of composite joints with protruding-head bolts, Composite Structures, Vol. 51, 2001, pp. 411-425 [4] A. Banbury, D.W. Kelly, A study of fastener pull-through failure of composite laminates. Part 1: Experimental, Composite Structures, Vol. 45, pp. 241-254, 1999 [5] D. Gay, Materiaux Composites, edizione HERMES, 1999 [6] J. J. Tierney, J. W. Gillespie JR., P.-E.Bourban, Comprehensive of Composite Materials, Joining Composites, Vol. 2, pp. 1029-1047, A. Kelly and C. Zweben Editors, Elsevier, 2000 [7] ASTM 3039M-00, Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA,1995 [8] Donald F. Adams, Comprehensive of Composite Materials, Test Methods for mechanical properties Vol.5, pp 113-148, A. Kelly and C. Zweben Editors, Elsevier, 2000 [9] ASTM D6484-99, Open Hole Compressive Strength of Polymeric Matrix Composite Laminates, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, 1999. [10] J. M. Whitney, R. J. Nuismer, Stress fracture criteria for laminated composites containing stress concentrations, Journal of Composite Materials, Vol. 8, 1974, pp. 253-265

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