The purpose of this thesis work is to verify the application of the SED criterion to a discontinuous fiber composite material. In particular, an extension of the criterion, called SEDm, is applied, which involves the evaluation of the strain energy density, averaged over an appropriate structural volume, of the matrix+filler alone. The reason for this choice comes from studies in the literature on the damage mechanisms and propagation of the latter within the life of the component, when the latter is subjected to mechanical fatigue loads. The material is supplied by Electrolux S.p.a. and is characterized by a polypropylene matrix containing a significant part of recycled PP (84% wt.) while the remaining part is virgin material (16% wt.). The reinforcement consists of glass fibers (10% by weight) and in addition there is 25% by weight of calcium carbonate as filler. The specimens under consideration have special types of slotted notches, inclined with respect to the direction of load application by an angle β. The inclination of the notch influences the stress mode of the notch, changing from an I mode with β=0 to a mixed I+II mode as the angle increases. Experimental characterization is performed by conducting fatigue tests from which damage initiation curves and failure curves are derived. In order to apply the energy criterion, filling simulations must be carried out to derive the fiber orientation following the injection molding process. This parameter, summarized by the fiber orientation tensor, is necessary to correctly define the elastic properties of the material point by point and enable subsequent structural simulations. In them, through the application of MCT theory it is possible to calculate the averaged strain energy density of the matrix+filler alone within a structural volume placed at the apex of the notch. Under assumptions of linear elasticity, it is possible to scale the values obtained from the fem structural simulation by the stress amplitude values applied in the experimental tests, and thus reanalysis of the experimental points is possible, in terms of averaged strain energy density. The objective is to verify whether the experimental results fall within the band calibrated in previous thesis work with specimens that had notches subjected to I-mode only, so as to define a useful design curve that goes to reduce the statistical dispersion of the data with respect to the respective damage-triggered curves in terms of applied load amplitude.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di verificare l’applicazione del criterio SED a un materiale composito a fibra discontinua. In particolare si applica un’estensione del criterio, denominato SEDm, il quale prevede la valutazione della densità di energia di deformazione, mediata in un volume strutturale opportuno, della sola matrice+filler. Il motivo di questa scelta deriva dagli studi presenti in letteratura sui meccanismi di danneggiamento e propagazione di quest’ultimo all’interno della vita del componente, quando quest’ultimo viene sottoposto a carichi di fatica meccanica. Il materiale è fornito dall’azienda Electrolux S.p.a. ed è caratterizzato da una matrice polipropilenica contenente una parte significativa di PP riciclato (84% wt.) mentre la rimanente parte si tratta di materiale vergine (16% wt.). Il rinforzo è costituito da fibre di vetro (10% in peso) e inoltre è presente il 25% in peso di carbonato di calcio come riempitivo. I provini in esame presentano dei particolari tipi di intaglio a asola, inclinati rispetto alla direzione di applicazione del carico di un angolo β. L’inclinazione dell’intaglio influenza il modo di sollecitazione di quest’ultimo, passando da un modo I con β=0 a un modo misto I+II al crescere dell’angolo. La caratterizzazione sperimentale viene eseguita effettuando prove a fatica da cui si ricavano le curve a innesco del danneggiamento e le curve a rottura. Per poter applicare il criterio energetico è necessario effettuare delle simulazioni di riempimento, al fine di ricavare l’orientazione delle fibre a seguito del processo di stampaggio a iniezione. Questo parametro, sintetizzato dal tensore di orientazione delle fibre è necessario per definire correttamente le proprietà elastiche del materiale punto per punto e consentire le successive simulazioni strutturali. In esse, mediante l’applicazione della teoria MCT è possibile calcolare la densità di energia di deformazione mediata della sola matrice+filler all’interno di un volume strutturale posto all’apice dell’intaglio. In ipotesi di lineare elasticità è possibile scalare i valori ottenuti dalla simulazione strutturale fem per i valori di ampiezza di tensione applicati nelle prove sperimentali e quindi è possibile la rianalisi dei punti sperimentali, in termini di densità di energia di deformazione mediata. L’obiettivo è quello di verificare se i risultati sperimentali rientrano nella banda tarata nei lavori di tesi precedenti con provini che presentavano intagli soggetti a solo modo I, in modo da definire una curva di progettazione utile, che vada a ridurre la dispersione statistica dei dati rispetto alle rispettiva curva a innesco del danneggiamento in termini di ampiezza di tensione applicata.

Applicazione del criterio SED a un materiale composito a fibra discontinua soggetto a sollecitazioni di carico di modo I+II

VACCESE, RICCARDO
2024/2025

Abstract

The purpose of this thesis work is to verify the application of the SED criterion to a discontinuous fiber composite material. In particular, an extension of the criterion, called SEDm, is applied, which involves the evaluation of the strain energy density, averaged over an appropriate structural volume, of the matrix+filler alone. The reason for this choice comes from studies in the literature on the damage mechanisms and propagation of the latter within the life of the component, when the latter is subjected to mechanical fatigue loads. The material is supplied by Electrolux S.p.a. and is characterized by a polypropylene matrix containing a significant part of recycled PP (84% wt.) while the remaining part is virgin material (16% wt.). The reinforcement consists of glass fibers (10% by weight) and in addition there is 25% by weight of calcium carbonate as filler. The specimens under consideration have special types of slotted notches, inclined with respect to the direction of load application by an angle β. The inclination of the notch influences the stress mode of the notch, changing from an I mode with β=0 to a mixed I+II mode as the angle increases. Experimental characterization is performed by conducting fatigue tests from which damage initiation curves and failure curves are derived. In order to apply the energy criterion, filling simulations must be carried out to derive the fiber orientation following the injection molding process. This parameter, summarized by the fiber orientation tensor, is necessary to correctly define the elastic properties of the material point by point and enable subsequent structural simulations. In them, through the application of MCT theory it is possible to calculate the averaged strain energy density of the matrix+filler alone within a structural volume placed at the apex of the notch. Under assumptions of linear elasticity, it is possible to scale the values obtained from the fem structural simulation by the stress amplitude values applied in the experimental tests, and thus reanalysis of the experimental points is possible, in terms of averaged strain energy density. The objective is to verify whether the experimental results fall within the band calibrated in previous thesis work with specimens that had notches subjected to I-mode only, so as to define a useful design curve that goes to reduce the statistical dispersion of the data with respect to the respective damage-triggered curves in terms of applied load amplitude.
2024
Application of the SED criterion to a discontinuous fiber composite material subjected to mode I+II loading stresses
Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di verificare l’applicazione del criterio SED a un materiale composito a fibra discontinua. In particolare si applica un’estensione del criterio, denominato SEDm, il quale prevede la valutazione della densità di energia di deformazione, mediata in un volume strutturale opportuno, della sola matrice+filler. Il motivo di questa scelta deriva dagli studi presenti in letteratura sui meccanismi di danneggiamento e propagazione di quest’ultimo all’interno della vita del componente, quando quest’ultimo viene sottoposto a carichi di fatica meccanica. Il materiale è fornito dall’azienda Electrolux S.p.a. ed è caratterizzato da una matrice polipropilenica contenente una parte significativa di PP riciclato (84% wt.) mentre la rimanente parte si tratta di materiale vergine (16% wt.). Il rinforzo è costituito da fibre di vetro (10% in peso) e inoltre è presente il 25% in peso di carbonato di calcio come riempitivo. I provini in esame presentano dei particolari tipi di intaglio a asola, inclinati rispetto alla direzione di applicazione del carico di un angolo β. L’inclinazione dell’intaglio influenza il modo di sollecitazione di quest’ultimo, passando da un modo I con β=0 a un modo misto I+II al crescere dell’angolo. La caratterizzazione sperimentale viene eseguita effettuando prove a fatica da cui si ricavano le curve a innesco del danneggiamento e le curve a rottura. Per poter applicare il criterio energetico è necessario effettuare delle simulazioni di riempimento, al fine di ricavare l’orientazione delle fibre a seguito del processo di stampaggio a iniezione. Questo parametro, sintetizzato dal tensore di orientazione delle fibre è necessario per definire correttamente le proprietà elastiche del materiale punto per punto e consentire le successive simulazioni strutturali. In esse, mediante l’applicazione della teoria MCT è possibile calcolare la densità di energia di deformazione mediata della sola matrice+filler all’interno di un volume strutturale posto all’apice dell’intaglio. In ipotesi di lineare elasticità è possibile scalare i valori ottenuti dalla simulazione strutturale fem per i valori di ampiezza di tensione applicati nelle prove sperimentali e quindi è possibile la rianalisi dei punti sperimentali, in termini di densità di energia di deformazione mediata. L’obiettivo è quello di verificare se i risultati sperimentali rientrano nella banda tarata nei lavori di tesi precedenti con provini che presentavano intagli soggetti a solo modo I, in modo da definire una curva di progettazione utile, che vada a ridurre la dispersione statistica dei dati rispetto alle rispettiva curva a innesco del danneggiamento in termini di ampiezza di tensione applicata.
criterio SED
compositi
injection moulding
fatica
analisi FEM
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