In questo lavoro è stato studiato il comportamento a fatica di un polipropilene riciclato e rinforzato con il 10% in peso di fibre di vetro discontinue e con il 25% di carbonato di calcio. I test sono stati condotti su provini piani, lisci ed intagliati, realizzati per stampaggio ad iniezione. L’obbiettivo è quello di costruire una curva di progettazione a fatica in energia con l’approccio della densità di energia di deformazione (SED) mediata in un volume strutturale di sola matrice, in grado di contenere nella relativa banda di dispersione tutti i punti sperimentali derivanti dalle prove condotte su provini caratterizzati da differenti raggi di raccordo all’apice dell’intaglio. I test di fatica sono stati condotti ad ampiezza di tensione costante e rapporto di ciclo R=0,05: le prove sono state periodicamente interrotte per monitorare l’innesco del danno per fatica, caratterizzato dalla formazione di una cricca all’apice dell’intaglio che prima di portare a rottura il provino propaga per un certo numero di cicli con un percorso non rettilineo, poiché ostacolato dalla presenza delle fibre. Questo approccio ha permesso di costruire due curve di fatica per ogni geometria: una avente in ascissa il numero di cicli per l’innesco del danno e una avente come riferimento il numero di cicli a rottura. In parallelo alle prove sperimentali sono state svolte le simulazioni numeriche per il calcolo del SED mediato. È stato pertanto eseguita una caratterizzazione reologica e termica del materiale in modo tale da costruire un modello in grado di correlare il reale comportamento del materiale fuso in Autodesk Moldflow per le simulazioni del processo di stampaggio ad iniezione. Per quanto riguarda le analisi FEM strutturali, eseguite con il software commerciale ANSYS, è stato necessario trasferire la distribuzione dell’orientazione delle fibre derivante dal processo produttivo. Per farlo, è stato utilizzato un terzo software di interfaccia, Autodesk Helius PFA. I dati di input necessari a risolvere le analisi sono le curve di trazione di provini lisci aventi angolo di off-axis θ pari a 0°, 45° e 90° rispettivamente, ricavati per fresatura da una piastra rettangolare iniettata. Le prove statiche di trazione necessarie sono state simulate, e i moduli elastici E(θ=0°), E(θ=45°) e E(θ=90°) così ricavati. Queste grandezze sono state necessarie per calibrare il modello del materiale con le proprietà elastiche dei singoli costituenti del composito, fibra e matrice, da implementare nelle simulazioni numeriche. Nota la distribuzione dell’orientazione delle fibre dalla simulazione di processo e le proprietà elastiche dei costituenti nel sistema di riferimento di materiale, il software di interfaccia Helius calcola, elemento per elemento, le proprietà elastiche nel sistema di riferimento di struttura. Pertanto, la reale risposta elastica dei provini è stata simulata al fine di calcolare il SED mediato nel volume strutturale di matrice.

Caratterizzazione statica e a fatica di un materiale composito a matrice polimerica riciclata rinforzata con fibre di vetro discontinue in presenza di intagli

PIZZATO, ALBERTO
2022/2023

Abstract

In questo lavoro è stato studiato il comportamento a fatica di un polipropilene riciclato e rinforzato con il 10% in peso di fibre di vetro discontinue e con il 25% di carbonato di calcio. I test sono stati condotti su provini piani, lisci ed intagliati, realizzati per stampaggio ad iniezione. L’obbiettivo è quello di costruire una curva di progettazione a fatica in energia con l’approccio della densità di energia di deformazione (SED) mediata in un volume strutturale di sola matrice, in grado di contenere nella relativa banda di dispersione tutti i punti sperimentali derivanti dalle prove condotte su provini caratterizzati da differenti raggi di raccordo all’apice dell’intaglio. I test di fatica sono stati condotti ad ampiezza di tensione costante e rapporto di ciclo R=0,05: le prove sono state periodicamente interrotte per monitorare l’innesco del danno per fatica, caratterizzato dalla formazione di una cricca all’apice dell’intaglio che prima di portare a rottura il provino propaga per un certo numero di cicli con un percorso non rettilineo, poiché ostacolato dalla presenza delle fibre. Questo approccio ha permesso di costruire due curve di fatica per ogni geometria: una avente in ascissa il numero di cicli per l’innesco del danno e una avente come riferimento il numero di cicli a rottura. In parallelo alle prove sperimentali sono state svolte le simulazioni numeriche per il calcolo del SED mediato. È stato pertanto eseguita una caratterizzazione reologica e termica del materiale in modo tale da costruire un modello in grado di correlare il reale comportamento del materiale fuso in Autodesk Moldflow per le simulazioni del processo di stampaggio ad iniezione. Per quanto riguarda le analisi FEM strutturali, eseguite con il software commerciale ANSYS, è stato necessario trasferire la distribuzione dell’orientazione delle fibre derivante dal processo produttivo. Per farlo, è stato utilizzato un terzo software di interfaccia, Autodesk Helius PFA. I dati di input necessari a risolvere le analisi sono le curve di trazione di provini lisci aventi angolo di off-axis θ pari a 0°, 45° e 90° rispettivamente, ricavati per fresatura da una piastra rettangolare iniettata. Le prove statiche di trazione necessarie sono state simulate, e i moduli elastici E(θ=0°), E(θ=45°) e E(θ=90°) così ricavati. Queste grandezze sono state necessarie per calibrare il modello del materiale con le proprietà elastiche dei singoli costituenti del composito, fibra e matrice, da implementare nelle simulazioni numeriche. Nota la distribuzione dell’orientazione delle fibre dalla simulazione di processo e le proprietà elastiche dei costituenti nel sistema di riferimento di materiale, il software di interfaccia Helius calcola, elemento per elemento, le proprietà elastiche nel sistema di riferimento di struttura. Pertanto, la reale risposta elastica dei provini è stata simulata al fine di calcolare il SED mediato nel volume strutturale di matrice.
2022
Static and fatigue behaviour of a short glass fibre reinforced recycled polymer matrix composite in presence of notch effect
Polipropilene
Injection moulding
Effetto d'intaglio
Analisi FEM
SED mediato
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