ITALIANO

Principali problematiche relative all’uso dei compositi per le strutture aerospaziali. Fondamenti della progettazione, del dimensionamento e della verifica delle strutture aerospaziali in materiale composito. Fondamenti delle metodologie di analisi numerica di strutture in materiale composito in presenza di danneggiamentiUtilizzo corrente dei principali strumenti per il dimensionamento e la verifica di strutture in materiale composito tolleranti e resistenti al danno

F.L. Matthews and R.D. Rawlings – Composite materials: Engineering and Science – Woodhead Publishing Limited, Cambrige,EnglandCarl T. Herakovich – Mechanics of Fibrous Composites – John Wiley, New York.F.L. MAtthews, GAO Davies, D. Hitchings and C. Soutis– Finite Element Modelling of Composite Materials and Structures - Woodhead Publishing Limited, Cambrige,England.Dispense dalle lezioni e dalle esercitazioni

Conoscenza e capacità di comprensione Il corso si prefigge di far acquisire allo studente una solida preparazione in materia di nozioni di base relative alla progettazione, al dimensionamento ed alla verifica delle strutture Aerospaziali in Materiale Composito con particolare attenzione ai meccanismi di danneggiamento che, potenzialmente, inficiano la sicurezza delle strutture stesse. Il fine è di conoscere i principali criteri di progettazione e di verifica numerico/sperimentale di strutture aerospaziali in materiale composito. Lo studente deve inoltre saper progettare strutture aerospaziali in materiale composito tolleranti e resistenti al danneggiamento. Capacità di applicare conoscenza e comprensione Lo studente deve essere in grado di progettare strutture aerospaziali in materiale composito tolleranti e resistenti al danneggiamento. Autonomia di giudizio Lo studente deve essere in grado di formulare un giudizio critico sulle strutture aerospaziali in materiale composito tolleranti e resistenti al danneggiamento. Abilità comunicative Lo studente deve essere in grado di illustrare fondamenti teorici e applicativi relativi alle strutture aerospaziali in materiale composito tolleranti e resistenti al danneggiamento. Deve altresì argomentare i collegamenti logici tra diversi temi della materia, utilizzando un linguaggio tecnico proprio della materia. Capacità di apprendimento A conclusione del corso lo studente deve disporre di tutti gli strumenti utili per proseguire in modo autonomo, adottando un approccio critico, lo studio delle evoluzioni della materia, sia mediante continui aggiornamenti tecnici e normativi

L’allievo deve conoscere gli elementi fondamentali delle costruzioni aeronautiche:

Le lezioni frontali (38 ore) sono tenute dal docente del corso, hanno durata di 120 minuti.Sono previste alcune esercitazioni (10 ore) numeriche sull’uso di codici FEM per l’analisi delle strutture aerospaziali.Le eventuali esercitazioni e/o lezioni integrative sono tenute al di fuori dell’orario di lezione, concordandone con gli allievi frequenza e durata in base alle loro necessità.

Al termine del corso, e’ previsto lo svolgimento di esercitazioni sull’utilizzo degli Elementi Finiti per la simulazione numerica del comportamento meccanico di strutture in composito ed è previsto un colloquio orale per la valutazione finale. Gli esercizi sono obbligatori per accedere alla prova orale ma non contribuiscono alla votazione d'esame. La prova orale si prefigge l’obiettivo di accertare le capacità di saper descrivere le metodologie per la progettazione e verifica di strutture aerospaziali in materiale composito e di accertare le capacità di progettare strutture aerospaziali in materiale composito. Si svolgerà con un colloquio articolato su tre domande sugli argomenti relativi alla progettazione e verifica numerico/sperimentale delle strutture aerospaziali in materiale composito ,atto ad accertare il livello di conoscenze raggiunto dallo studente. Ogni domanda contribuirà al voto finale.

Slides usate dal docente caricate su Teams dell’insegnamento Le prove di esame sono fissate con cadenza almeno mensile (ad esclusione della pausa estiva).

Il programma del corso è articolato come segue: parte 1 - 10 ore Introduzione ai materiali compositi Panoramica sulle tipologie di materiali compositi , Principali processi di produzione, Problematiche legate all’utilizzo dei materiali compositi in applicazioni aerospaziali Meccanica dei materiali anisotropi Tensioni e deformazioni, Relazioni costitutive, Stati piani di tensione e deformazione, Materiali anisotropi, Materiali ortotropi, Materiali trasversalmente isotropi, Cambiamento di riferimento per tensioni e deformazioni Micro-meccanica dei materiali compositi laminati Micro-meccanica della lamina, Determinazione delle costanti di rigidezza della lamina, Determinazione delle costanti di resistenza della lamina Parte 2 - 10 ore Teoria classica dei laminati Assunzioni alla base della teoria classica dei laminati, Spostamenti e deformazioni, Relazioni costitutive della lamina, Equazioni del moto, Relazioni costitutive del laminato, Sequenze di laminazione notevoli “Fabric Geometric Model” per l’analisi dei compositi di tipo tessile. Cenni sulle attività sperimentali sui materiali compositi (Macro-meccanica) parte 3 10 ore Meccanismi di danneggiamento nei compositi laminati Tipi di danneggiamento propri dei compositi laminati, Criteri di rottura della lamina (rottura di fibra e matrice), Meccanica della frattura applicata ai compositi laminati (Delaminazioni), Danni da impatto nei compositi laminati, “First-ply failure” e danneggiamento progressivo, Progettazione “damage tolerant” e “damage resistant” di strutture in composito Fatica sui compositi ed impatto ambientale Le delaminazioni nel contesto della progettazione strutturale con i materiali compositi Fenomeni fisici associati alla nascita delle delaminazioni, Fenomeni fisici associati alla crescita delle delaminazioni, parte 4 - 8 ore Introduzione alla gestione del danno nella progettazione con materiali compositi, Resistenza alle de laminazioni indotta da impatti nella progettazione preliminare, Tolleranza alle de laminazione della progettazione preliminare, Gestione del danneggiamento “efficiente”Impatti a bassa velocità e tolleranza al danno di strutture aerospaziali in materiale composito. Resistenza al danneggiamento derivante da impatti a bassa velocità nella progettazione di dettaglio, Metodi di analisi per il danno da impatto a bassa velocità, Tolleranza al danno di laminati in materiale composito nella progettazione di dettaglio. parte 5 - 10 ore Applicazioni numeriche (utilizzo dei codici FEM ANSYS ed ABAQUS) Modellazione con elementi finiti di pannelli compositi laminati, Analisi numerica lineare, Analisi numerica agli autovalori, Analisi numerica non lineare (non linearità geometrica), Modellazione con elementi finiti di compositi laminati danneggiati, Analisi numerica non lineare con simulazione dell’evoluzione del danneggiamento per danno inter-laminare ed intra-laminare, simulazione di impatti a bassa ed alta velocità su strutture in materiale composito

Italian

Major issues related to the application of composites to aerospace structures. Basics of Design, dimensioning and structural check of aerospace composite components. Basics of numerical methodologies for the prediction of damage onset and evolution in composite structures.Use of main numerical and experimental tools for the design of damage tolerant and resistant composite structures.

F.L. Matthews and R.D. Rawlings – Composite materials: Engineering and Science – Woodhead Publishing Limited, Cambrige,EnglandCarl T. Herakovich – Mechanics of Fibrous Composites – John Wiley, New York.F.L. MAtthews, GAO Davies, D. Hitchings and C. Soutis– Finite Element Modelling of Composite Materials and Structures - Woodhead Publishing Limited, Cambrige,England.Lecture notes are also available.

Knowledge and Understanding The course aims to provide students with a solid foundation in the basic concepts related to the design, sizing, and verification of aerospace structures made from composite materials, with particular attention to the damage mechanisms that may compromise the safety of these structures. The goal is to understand the main design and verification criteria, both numerical and experimental, for aerospace structures made of composite materials. Additionally, the student must be able to design aerospace structures in composite materials that are damage-tolerant and damage-resistant. Ability to Apply Knowledge and Understanding The student must be able to design aerospace structures in composite materials that are damage-tolerant and damage-resistant. Judgment Autonomy The student must be able to formulate a critical judgment regarding aerospace structures in composite materials that are damage-tolerant and damage-resistant. Communication Skills The student must be able to explain the theoretical and practical fundamentals related to aerospace structures in composite materials that are damage-tolerant and damage-resistant. They should also be able to articulate the logical connections between different topics in the field, using the technical language specific to the discipline. Learning Ability By the end of the course, the student should possess all the tools necessary to continue independently, adopting a critical approach, to study the evolution of the subject, through continuous technical and regulatory updates.

The student must know the basics of aerospace structures

Lessons (38 hours) take 120 minutes. Exercises (10 hours) on FEM application to composite structures are foreseen.

At the end of the course, exercises will be conducted on the use of Finite Element Analysis for the numerical simulation of the mechanical behavior of composite structures, and an oral exam will take place for the final assessment. The exercises are mandatory to access the oral exam but do not contribute to the exam grade. The oral exam aims to assess the student’s ability to describe the methodologies for the design and verification of aerospace structures made from composite materials, as well as their ability to design aerospace structures in composite materials. The exam will consist of a structured oral discussion, with three questions on topics related to the design and numerical/experimental verification of aerospace structures made from composite materials, to assess the level of knowledge achieved by the student. Each question will contribute to the final grade.

Slides used by the teacher on Teams Monthly oral examinations are programmed (excluding summer holydays)

Course Program: Part 1 - 10 hours Introduction to Composite Materials Overview of types of composite materials Main production processes Issues related to the use of composite materials in aerospace applications Mechanics of anisotropic materials Stresses and strains Constitutive relations Plane stress and strain states Anisotropic materials, Orthotropic materials, Transversely isotropic materials Change of reference for stresses and strains Micro-mechanics of laminated composite materials Micro-mechanics of the lamina Determination of the lamina stiffness constants Determination of the lamina strength constants Part 2 - 10 hours Classical Theory of Laminates Assumptions underlying the classical laminate theory Displacements and deformations Constitutive relations of the lamina Equations of motion Constitutive relations of the laminate Notable laminate stacking sequences "Fabric Geometric Model" for analysis of textile-type composites Overview of experimental activities on composite materials (Macro-mechanics) Part 3 - 10 hours Damage Mechanisms in Laminated Composites Types of damage specific to laminated composites Lamina failure criteria (fiber and matrix failure) Fracture mechanics applied to laminated composites (delaminations) Impact damage in laminated composites "First-ply failure" and progressive damage "Damage-tolerant" and "damage-resistant" design of composite structures Fatigue in composites and environmental impact Delaminations in the context of structural design with composite materials Physical phenomena associated with delamination initiation Physical phenomena associated with delamination growth Part 4 - 8 hours Introduction to Damage Management in Composite Material Design Resistance to delamination induced by impact in preliminary design Delamination tolerance in preliminary design Efficient damage management Low-velocity impacts and damage tolerance in aerospace composite structures Resistance to damage from low-velocity impacts in detailed design Analysis methods for low-velocity impact damage Damage tolerance of composite laminates in detailed design Part 5 - 10 hours Numerical Applications (Use of FEM Codes ANSYS and ABAQUS) Finite element modeling of laminated composite panels Linear numerical analysis Eigenvalue numerical analysis Non-linear numerical analysis (geometric non-linearity) Finite element modeling of damaged laminated composites Non-linear numerical analysis with damage evolution simulation for inter-laminar and intra-laminar damage Simulation of low and high-velocity impacts on composite structures