Progressive Ply Failure Analysis (PPFA) – Danneggiamento progressivo di compositi laminati.
Al giorno d’oggi i materiali compositi sono sempre di più utilizzati in numerose applicazioni pubbliche e in ogni tipo di prodotto, dai trasporti agli articoli sportivi, per questo motivo i progettisti devono essere in grado di capire la natura e contenere conseguenze di un cedimento strutturale. In molti casi pratici, la resistenza residua di una parte in composito laminato oltre il collasso della prima lamina (First-Ply-Failure o FPF) è sufficientemente elevata per prevenire la rottura catastrofica del componente. Questo significa che l’utilizzo del FPF come criterio di progettazione può condurre ad un dimensionamento troppo conservativo, il che non è desiderabile alcune applicazioni ad alte prestazioni dove il peso è un fattore fondamentale. L’Analisi del Danneggiamento Progressivo consente agli ingegneri la possibilità di esaminare il comportamento strutturale oltre il First Ply Failure e di comprendere gli eventi successivi alla rottura delle prime pelli del composito, in campo non-lineare.
La versione V9.2 rilasciata di recente è rende disponibile per la prima volta un modello di danneggiamento progressivo per la verifica strutturale dei compositi laminati, in grado di determinare lo stato di sollecitazione e deformazione dei componenti oltre il First-Ply-Failure.
Strumento di Progettazione per i Compositi
La PPFA può essere utilizzata per determinare:
- Conseguenze della rottura e contenimento del rischio.
- In fase di progettazione per confrontare più ipotesi costruttive (sequenza di laminazione, scelta dei materiali).
- Comprensione di quello che avviene dopo il first-ply-failure.
Le domande a cui la PPFA è in grado di rispondere sono le seguenti.
- Cosa succede dopo il first-ply-failure?
- Quanto margine rimane tra il first-ply-failure e il collasso del componente?
- Che modifiche devo apportare al componente per contenere le conseguenze del first-ply-failure?
- Dove si innesca il danneggiamento?
- Certi danni locali possono compromettere o meno l’integrità della struttura?
Vantaggi della PPFA di NEi Nastran.
L’Analisi di Danneggiamento Progressivo implementata in NEiNastran offre numerosi vantaggi per il progettista:
- E’ Semplice da impostare e da utilizzare.
- Non richiede dati ulteriori per i materiali, oltre a quelli già necessari per il calcolo del First-Ply-Failure.
- E’ un metodo accurato e robusto, sensibile alla direzione del danneggiamento, grazie all’utilizzo di criteri sofisticati quali LARC02 e Puck.
- Consente l’esame della propagazione e della progressione del danno, e dei suoi effetti sulle prestazioni della struttura.
- E’ in grado di catturare effetti fortemente non-lineari e discontinui, tipici del danneggiamento dei materiali compositi.
- Può essere utilizzato in congiunzione con tutti i moduli di analisi di NEi Nastran, ad esempio con l’Analisi di Impatto Automatica.
Confronto tra PPFA e dati sperimentali.
I risultati prodotti da NEi Nastran nella simulazione del Danneggiamento Progressivo di una piastra forata soggetta a trazione sono stati confrontati con le misurazioni condotte su un provino. L'articolo tecnico che riporta i dati sperimentali è il seguente:
- Allegato 1. Progressive Failure Analysis Methodology for Laminated Composite Structures
Le immagini mostrano la geometria del provino e un dettaglio della mesh intorno al foro.
| Plate Geometry | Layup Sequence and Total Thickness |
| L = 8.0 in (203.2 mm) W = 1.0 in (25.4 mm) d = 0.25 in (6.35 mm) |
Layup: [0 / (±45)3 / 903]s Total n. of plies = 20 Total thickness = 0.103in (2.61mm) |
| Material Name | Cured Ply Thickness | Elastic Moduli | Strength Data | |||||||
| t mm (in) | E11 GPa (msi) | E22 GPa (msi) | G12 GPa (msi) | ν [-] | Xt MPa (ksi) | Xc MPa (ksi) | Yt MPa (ksi) | Yc MPa (ksi) | Sc MPa (ksi) | |
| T300/1034-C | 0.131 (0.00515) | 146.9 (21.3) | 11.38 (1.65) | 6.185 (8.97) | 0.3 | 1731 (251) | 1379 (200) | 66.5 (9.65) | 268.2 (38.9) | 133.7 (19.4) |
Risultati
La tabella seguente confronta i risultati sperimentali con vari metodi analitici e con la PPFA di NEi Nastran, mentre il grafico mostra la curva carico-spostamento non lineare, utilizzando vari criteri per il calcolo del danneggiamento.
| Failure Model | First Ply Failure [N] |
Last Ply Failure [N] |
| Experimental Test [Ref. 1] |
-- | 15670 |
| Hashin [Ref. 1] | 6761 | 14290 (-8.8%) |
| Christensen [Ref. 1] | 6761 | 14510 (-7.4%) |
| LaRC02 (NEi Nastran) | 6700 | 14017 (10.5%) |
| Puck PCP (NEi Nastran) | 6700 | 13589 (-13.3%) |
| Tsai-Wu (NEi Nastran) | 6400 | 13166 (-16.0%) |
| Max. Stress (NEi Nastran) | 6600 | 17000 (+8.5%) |
L'animazione seguente mostra lo stato di danneggiamento nella zona del foro, per all’aumentare del carico di trazione applicato.
Conclusioni
- Il carico di rottura previsto è in ottimo accordo con i risultati della prova di trazione.
- Nel caso in oggetto, il criterio LaRC02 fornisce i risultati migliori.
- L’evoluzione del danneggiamento è qualitativamente consistente con le misurazioni mediante raggi-x e ultrasuoni condotte in situazioni simili.
- La rottura ultima si raggiunge a circa due volte il carico di First-Ply-Failure. La simulazione del comportamento post-FPF consente una migliore comprensione del meccanismo di rottura ed evidenzia margini per una ulteriore ottimizzazione del laminato (es. alleggerimento) nel caso in cui i carichi di missione risultino intermedi ai carichi rispettivamente di FPF e LPF.
