Modelli avanzati per strutture composite FFF con fibre ad angolo variabile = Advanced models for tow steered FFF composite structures

Le macchine per la deposizione automatica delle fibre hanno reso possibile la genesi del processo Fused Filament Fabrication (FFF), una tecnologia di Additive Manufacturing (AM) in grado di produrre materiali polimerici rinforzati con fibre. Questo processo amplia notevolmente le possibilità dell'AM, in quanto consente di realizzare componenti localmente rinforzati e appositamente progettati. Questo nuovo tipo di struttura composita avanzata, ovvero i compositi con fibre ad angolo variabile (Variable Angle Tow), presenta il vantaggio, rispetto ai casi più tradizionali, di una rigidità adattabile rispetto ai punti più sollecitati (Variable Stiffness Composite Laminates); consente inoltre di migliorare le prestazioni strutturali in termini di capacità di carico di compressione (buckling) e di comportamento post-critico, mantenendo un rapporto molto elevato tra rigidità e massa. Questo metodo di produzione può anche generare regioni di sovrapposizione o lacune tra percorsi di deposizione successivi. Nelle ricerche precedenti sono stati presi in considerazione questi tipi di difetti e sono state presentate diverse soluzioni che mirano a modellare i componenti affetti da tali imperfezioni, al fine di prevedere in modo più realistico il comportamento del materiale. Gli approcci di modellazione per queste strutture hanno il limite che la variazione dell'angolo deve essere espressa come un'equazione matematica, ad esempio una variazione lineare dell'angolo. A causa di questi vincoli, è spesso difficile modellare i percorsi di deposizione progettati utilizzando semplici espressioni numeriche, soprattutto quando si prevedono variazioni multiple all'interno della stessa lamina. Un'ulteriore difficoltà nello studio di questi materiali è il fatto che non è possibile prevedere le deformazioni e le sollecitazioni effettive con le tecniche di modellazione classiche. In questa tesi verranno presentati alcuni risultati relativi al buckling di alcune strutture composite VAT ottenuti con la Carrera Unified Formulation (CUF) implementata attraverso il codice sviluppato dal gruppo di ricerca MUL2 del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale del Politecnico di Torino. Questa teoria permette di ottenere soluzioni bidimensionali (piastra e guscio) e monodimensionali (trave) che superano quelle classiche (come quelle di Eulero, Kirchhoff e Mindlin) utilizzando una notazione condensata ed esprimendo i campi di spostamento sulla sezione trasversale (caso della trave) e lungo lo spessore (casi della piastra e del guscio) con funzioni di forma e ordine arbitrari. Inizialmente, i risultati di queste analisi sono stati confrontati positivamente con i risultati della letteratura. Successivamente, è stata condotta un'analisi dettagliata per ottenere indicazioni sull'interazione tra l'orientamento delle fibre e la variazione dei modi propri del materiale e dei carichi critici. Infine, saranno presentate alcune funzionalità avanzate di progettazione del metodo di modellazione agli elementi finiti, i cui risultati saranno confrontati con alcuni risultati sperimentali.