Progettazione di provini tubolari in materiale composito per fatica ad altissimo numero di cicli (VHCF) = Design of Tubular Composite Specimens for Very High Cycle Fatigue (VHCF)

Lo scopo di questa tesi è progettare, produrre e validare sperimentalmente provini tubolari in materiale composito per prove di fatica ad altissimo numero di cicli (VHCF) con tensione media di compressione, eseguite con macchina risonante a ultrasuoni operante a 20 kHz. L’attività si inserisce nel più ampio contesto della crescente esigenza di caratterizzare la resistenza a fatica dei materiali avanzati sottoposti a cicli di carico estremi, con particolare attenzione all’efficacia del provino nel garantire la tensione alterna di interesse nella zona utile. Il lavoro è iniziato con uno studio teorico dei principali meccanismi di danneggiamento a fatica nei compositi, in particolare nel caso di fatica con rapporto delle tensioni positivo, e sull’identificazione dei parametri critici delle prove VHCF. I provini sono stati progettati e realizzati mediante avvolgimento di prepreg su mandrino cilindrico, seguito da polimerizzazione termica controllata. La caratterizzazione meccanica è stata condotta tramite Impulse Excitation Technique (IET), utile per ottenere in modo non distruttivo le proprietà elastiche del materiale (densità e modulo di Young). Riguardo il setup sperimentale, la macchina a ultrasuoni è stata sviluppata per garantire un corretto trasferimento delle vibrazioni tra sonotrodo e provino, con controllo dell’ampiezza di oscillazione tramite sensori dedicati e un sistema di raffreddamento. È stata inoltre eseguita una calibrazione estensimetrica ad alta frequenza, necessaria a correlare l’input elettrico della macchina con la reale tensione alterna generata nella sezione centrale del provino. Parallelamente è stato sviluppato un modello FEM per analizzare il comportamento in frequenza del provino, con particolare attenzione al primo modo di vibrazione longitudinale. Il modello ha anche consentito di verificare la tensione alterna nella zona centrale. I risultati numerici sono risultati coerenti con quelli sperimentali; tuttavia, le prove VHCF hanno evidenziato assenza di danneggiamento (runout a 1e9 cicli) e la necessità di aumentare il livello di carico ciclico applicato. Questa evidenza ha motivato una nuova progettazione del provino, con l’obiettivo di aumentare localmente la tensione alterna mantenendo la compatibilità col sistema di prova a ultrasuoni. È quindi proposto un provino con teste metalliche, in cui il provino tubolare in composito funge da “elemento molla” fra le teste, cosiddette “elementi massa”. Dopo aver validato sperimentalmente, tramite IET, un modello FEM con dischetti metallici alle estremità, è stata adottata una configurazione con teste raccordate in alluminio, progettate per migliorare il confinamento modale e amplificare la tensione alterna nella zona centrale. Le analisi hanno dimostrato che l’introduzione delle teste raccordate ha portato a un incremento della tensione alterna fino al 165% rispetto alla geometria base. Ulteriori simulazioni, condotte su provini con diametro interno di 15 mm e estremità ottimizzate, hanno portato a un incremento complessivo della tensione alterna pari a 247% rispetto alla configurazione iniziale. È stato inoltre analizzato lo strato adesivo utilizzato nell’incollaggio, il quale lavora a una tensione inferiore del 35% rispetto alla struttura principale, fornendo indicazioni progettuali utili per la scelta dei materiali e degli spessori di incollaggio. Questi risultati confermano l’efficacia dell’approccio progettuale proposto e aprono la strada a test VHCF con tensione media di compressione su materiali compositi.