Calcolo delle distorsioni termiche indotte dal ciclo di cura in autoclave di componenti in carboresina: interazione con gli attrezzi e simulazione agli elementi finiti

Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di simulare il processo di cura in autoclave di un componente di struttura secondaria di velivolo civile in carboresina, mediante l’impiego dei software MSC Patran ed MSC Marc/Mentat, al fine di valutare la storia termica e gli stress residui registrati a causa della reazione di polimerizzazione.

La casistica reale prevede la presenza simultanea in autoclave di dieci parti formate da un laminato bilanciato di 18 plies in pre-preg di fibra di carbonio e resina epossidica.

Gli obbiettivi finali richiesti sono i seguenti:

• elaborarne il modello FEM delle parti e relativi stampi mediante MSC Patran;
• simulare il processo di cura delle parti in esame MSC Marc/Mentat;
• implementare la variazione delle proprietà meccaniche del laminato in funzione dal grado di polimerizzazione.

Nei recedenti studi sono stati rilevati elevati stress residui (dell'ordine dei GPa) in quanto sono state assegnate le proprietà finali delle lamine senza considerare che durante la fase di sviluppo del network polimerico tridimensionale la struttura non è in grado di assorbire sollecitazioni.

L'attività di tesi si è svolta presso la Direzione Tecnica di DEMA, azienda del distretto aerospaziale campano.

Il modello CAD della parte (riportato in figura precedente) è stato importato in MSC Patran.

A valle di uno studio preliminare si è deciso di modellare 4 bracket, con i relativi stampi, al fine di ottenere un buon compromesso tra tempi di calcolo e numero minimo di parti necessarie a studiare l'interazione tra le varie parti. Agli elementi sono state assegnate delle proprietà fittizie necessarie a creare un file di input per MSC Marc/Mentat.

Al fine di simulare il processo di cura in autoclave sono state svolte le seguenti analisi:

• un’analisi termica;
• una termico - strutturale senza variazione delle proprietà meccaniche;
• una termico - strutturale con variazione delle proprietà meccaniche;

per verificare se l'andamento dei valori di stress residui nella bracket sono comparabili ai valori teorici e le temperature rilevate durante la simulazione del processo di cura sono in accordo con le letture dei valori di temperatura delle termocoppie rilevate durante il processo reale.

Assegnate le proprietà al modello FEM importato in Marc, le condizioni iniziali per la temperatura e il grado di cura, le caratteristiche del contatto tra parte e stampo ed infine le condizioni al contorno e di vincolo (incastro per i nodi inferiori degli stampi, calore convettivo direzionale, pressione imposta dall’autoclave), la prima verifica è stata quella di comparare i dati ottenuti dall’analisi termica e quelli sperimentali registrati dalla termocoppia, ottenendo uno scarto minimo.

Successivamente abbiamo affrontato il problema di come far variare le 9 costanti elastiche, necessarie a descrivere il comportamento ortotropo di ciascuna lamina, in funzione del grado di cura.

La soluzione adottata è stata quella di inserire nelle schede di caratterizzazione termo-meccanica dei materiali delle tabelle nelle quali è prevista una variazione a gradino delle suddette proprietà in corrispondenza di un valore dell’80% del grado di cura. Fino a tale valore le proprietà meccaniche sono state abbattute di tre ordini di grandezza, al fine di non far assorbire tensione alla bracket.

Tale valore è stato confermato dai modelli di Scott per il calore generato dalla reazione di polimerizzazione e dal modello di Bogetti-Gillespie per la contrazione volumetrica nei quali rispettivamente si nota che tutto il calore e la contrazione avviene nell'intorno di tale percentuale e il processo di cura si può ritenere completo, quindi la parte può iniziare ad assorbire degli stress.

Riportiamo nella figura seguente l’andamento della componente 11 dello stress in funzione del grado di cura in cui si nota chiaramente il mancato assorbimento delle sollecitazioni da parte della bracket fino all’80% del grado di avanzamento della reazione, mentre le ultime due figure mostrano il confronto tra l’analisi effettuata senza variazione delle proprietà meccaniche e con variazione rispetto al tempo di processo delle componenti σ₁₁ e σ₂₂ (rispettivamente direzione longitudinale e trasversale della parte).

I risultati ottenuti dimostrano come un modello FEM che implementa la variazione del modulo elastico in funzione del grado di cura, permetta di prevedere in maniera realistica i valori degli stress residui in parti in composito curati in autoclave.

AUTORI: Alfonso Manfuso e Maria Laura Genovino