Experimental and numerical failure analysis of SLJ and SSLJ CFRP joints using the LaRC05 criterion within a combined XFEM-CZM

Nel mondo moderno dell'ingegneria, i materiali leggeri sono la chiave per l'efficienza. I polimeri rinforzati con fibra di carbonio, spesso chiamati CFRP, sono materiali compositi composti da incredibilmente resistenti filamenti di carbonio immersi in una tenace resina plastica. Sono così leggeri eppure così resistenti che sono diventati lo standard per la costruzione di ali di aeroplani, fusoliere e componenti automobilistici ad alte prestazioni. Tuttavia, unire questi materiali presenta una sfida unica. I metodi tradizionali, come la foratura di fori per bulloni o rivetti, creano punti deboli dove si concentra lo stress e aggiungono peso indesiderato. Il giunzione adesiva offre un'alternativa più fluida, distribuendo il carico su un'ampia superficie, ma la scienza di come questi giunti incollati falliscano è complessa. Quando due pezzi di materiale vengono incollati e separati, il modo in cui la forza si trasmette attraverso il legame non è quasi mai rettilineo; spesso torce o piega i materiali, creando tensioni nascoste che possono far scattare il giunto inaspettatamente. Comprendere esattamente come si comportano queste forze, e come progettare un giunto che le resista, è fondamentale per costruire strutture più sicure e leggere.

Un team di ricercatori provenienti da università dell'Algeria e del Ruanda si è posto l'obiettivo di risolvere un enigma specifico in questo campo: come la dimensione dello spessore delle piastre di fibra di carbonio e la forma del giunto influenzino la sua resistenza? Si sono concentrati su due design comuni. Il primo è il giunto a sovrapposizione singola (single-lap joint), in cui due piastre si sovrappongono semplicemente e vengono incollate insieme. Il secondo è il giunto a gradini (stepped-lap joint), un design più sofisticato in cui le estremità delle piastre vengono lavorate a una serie di gradini, come una scala, prima di essere incollate. Questa forma a gradini è destinata ad allineare la forza in modo più diretto, riducendo l'effetto di torsione che spesso indebolisce i giunti standard. Per trovare le risposte, i ricercatori non si sono affidati alla sola teoria. Hanno costruito campioni fisici utilizzando piastre di fibra di carbonio di due diversi spessori, 2,0 millimetri e 4,0 millimetri. Hanno utilizzato una macchina di fresatura a controllo numerico ad alta precisione per tagliare le forme esatte necessarie, assicurando che le superfici fossero perfettamente lisce per l'incollaggio. Dopo aver applicato un adesivo epossidico strutturale e averlo lasciato polimerizzare, hanno tirato i campioni in una macchina di test per vedere quanta forza potessero sopportare prima di rompersi.

I risultati di questi test fisici hanno rivelato un chiaro vincitore. I giunti a gradini hanno costantemente superato i normali giunti a sovrapposizione singola. Per le piastre più sottili da 2,0 millimetri, il design a gradini ha permesso al giunto di reggere 7.584 Newton di forza prima di cedere, un miglioramento significativo rispetto ai 6.823 Newton sostenuti dalla normale sovrapposzione. Questo aumento di circa l'11 percento è avvenuto perché la forma a gradini ha riesce con successo a raddrizzare il percorso della forza, eliminando il movimento di torsione che di solito indebolisce il legame. Tuttavia, lo studio ha anche svelato un risultato sorprendente e controintuitivo riguardante lo spessore. Mentre si potrebbe presumere che una piastra più spessa sia sempre più resistente, i ricercatori hanno scoperto che aumentare lo spessore della piastra da 2,0 millimetri a 4,0 millimetri ha effettivamente reso i giunti più deboli. Sia i design a gradini che quelli standard hanno perso resistenza man mano che le piastre diventavano più spesse. La ragione risiede nella geometria della sovrapposizione; una piastra più spessa crea un braccio di leva più lungo, che amplifica la forza di torsione alle estremità della linea di colla, causando il cedimento del giunto prima nonostante l'aggiunta di materiale.

Per capire esattamente perché si siano verificati questi cedimenti, il team ha creato una simulazione computerizzata dettagliata che fungeva da microscopio virtuale. Hanno utilizzato modelli matematici avanzati per tracciare come il materiale si deformasse e si crepasse a livello microscopico. La simulazione ha permesso loro di vedere all'interno del giunto mentre veniva tirato, rivelando i momenti specifici in cui la colla ha iniziato a separarsi e quando le fibre di carbonio stesse hanno iniziato a rompersi. Il modello informatico corrispondeva quasi perfettamente ai risultati dei test reali, confermando che la loro comprensione della fisica era corretta. Le simulazioni hanno mostrato che, nel normale giunto a sovrapposizione singola, la forza di torsione ha causato l'instabilità delle fibre di carbonio e la rottura del materiale vicino ai bordi della colla, portando a un cedimento improvviso. Al contrario, il giunto a gradini ha mantenuto lo stress distribuito uniformemente, impedendo la formazione di queste crepe dannose nella fibra di carbonio e limitando il cedimento alla sola linea di colla, che è un modo molto più controllato e prevedibile per rompere un giunto.

Lo studio conclude che, per la migliore prestazione, gli ingegneri dovrebbero utilizzare il design a gradini combinato con il substrato più sottile da 2,0 millimetri. Questa combinazione offre la massima resistenza bilanciando la necessità di un percorso di forza rettilineo con la necessità di minimizzare la leva di torsione introdotta dalle piastre spesse. La ricerca ha inoltre dimostrato che la modellazione computerizzata moderna, se accoppiata a tecniche di produzione precise come la fresatura CNC, può prevedere accuratamente come si comporteranno questi giunti complessi. Ciò significa che in futuro i progettisti potranno fare affidamento su questi strumenti digitali per creare velivoli e veicoli più leggeri e resistenti senza la necessità di costruire e distruggere così tanti prototipi fisici. Il lavoro conferma che, sebbene rendere un giunto più spesso non lo renda sempre più forte, ottenere la forma corretta può fare una differenza sostanziale in quanto carico una struttura possa trasportare in sicurezza.