Modellazione della delaminazione nei materiali compositi attraverso il modello della zona coesiva

The thesis addresses the prediction of delamination in carbon-fibre-reinforced polymer (CFRP) laminates representative of aeronautical applications (fuselage skins and wings). After clarifying the nomenclature, laminate designation (unidirectional and multidirectional) and the main manufacturing defects, the problem is set within the framework of interlaminar fracture mechanics, with emphasis on delamination and mode interaction; the causes, structural effects and damage diagnostics are outlined. With a rigorous treatment, the energy release rate G and the J-integral are formalised as the basis for initiation/propagation criteria under pure and mixed-mode loading. On the numerical side, a modelling strategy based on Cohesive Zone Models (CZM) is proposed in a FEM environment by means of interface elements with bi-/tri-linear traction–separation laws and evolution criteria (Power Law, Benzeggagh–Kenane) for mixed-mode propagation. Practical guidelines are provided for the calibration of cohesive parameters and for discretisation. Overall, the work consolidates CZM as an engineering tool for damage-tolerant design in aeronautics, offering operational recommendations that can be transferred to real components.

La tesi affronta la previsione della delaminazione in laminati in composito rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) tipici delle applicazioni aeronautiche (fusoliere e ali). Dopo aver chiarito la nomenclatura, la designazione dei laminati (UD e multidirezionali) e i principali difetti di fabbricazione, si inquadra il problema nel framework della meccanica della frattura interlaminare, con enfasi su delaminazione e interazione tra modi, vengono inquadrate le cause, gli effetti strutturali e la diagnostica del danno. Con una trattazione rigorosa si formalizza il tasso di rilascio di energia G e l’integrale J come base per i criteri di innesco/propagazione in modo puro e misto. Sul piano numerico, si propone una modellazione basata su Cohesive Zone Models (CZM) in ambiente FEM mediante elementi d’interfaccia con leggi trazione-separazione (bi-/tri-lineari) e criteri di evoluzione (Power Law, Benzeggagh-Kenane) per la propagazione mista. Si propongono linee guida pratiche per la calibrazione dei parametri coesivi e per la discretizzazione. Nel complesso, il lavoro consolida il CZM come strumento ingegneristico per progettazione damage-tolerant in aeronautica, offrendo raccomandazioni operative trasferibili a componenti reali.