Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale Sezione Aerospaziale. Convenzione Università di Pisa DeltaTech del 26/03/2014

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1 Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale Sezione Aerospaziale Convenzione Università di Pisa DeltaTech del 26/03/2014 Rapporto Attività di Ricerca Prove di Impatto Ing. R. Lazzeri r.lazzeri@ing.unipi.it Pisa, 20/11/2014

2 1- Obiettivi Obiettivo della presente attività di ricerca è stato lo studio delle proprietà meccaniche di materiali compositi in fibra di carbonio e in fibra di vetro con e senza utilizzo di SIMS attraverso prove di impatto ed il confronto delle corrispondenti proprietà. Una parte dei provini, prima della prova, è stata sottoposta a condizionamento termico per verificare gli effetti di cicli termici e di umidità sul loro comportamento. 2 Attrezzature e set-up delle prove Le prove sono state condotte presso il Laboratorio di Strutture e Materiali del Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale Sezione Aerospaziale, utilizzando attrezzature lì disponibili. In particolare, sono stati utilizzati un cestello di vincolo per il provino (fig. 1), una colonna di lancio (fig. 2) e un impattatore terminante con una sfera in acciaio di diametro 16 mm. La norma di riferimento è la ASTM D7136/D7136M Fig. 1 Cestello di vincolo 1 ASTM D7136/D7136M-12, Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event. 1

3 Fig. 2 Colonna di lancio L acquisizione del segnale di forza avviene tramite un QuantumX fornito da HBM, con software dedicato, Fig. 3. 2

4 Fig. 3 Sistema di acquisizione del segnale di forza Il provino viene bloccato sul cestello con quattro punti di vincolo, tramite delle viti serrate a 20 Nm. Un dispositivo antirimbalzo blocca l impattatore dopo il primo impatto ed impedisce rimbalzi successivi sul provino. Il condizionamento dei provini è stato effettuato in una camera climatica Angelantoni Challenge 250 (Fig. 4), secondo il ciclo di temperatura e umidità riportato in Fig. 5. 3

5 Fig. 4 Camera climatica 4

6 Ciclo Temperatura - Umidità T, Celsius Ore HR, % Fig. 5 Ciclo umidità-temperatura 3 Matrice delle prove Sono stati testati provini in fibra di carbonio e di vetro; in entrambi i casi sono stati considerati due spessori diversi, indicati con t1 (più spesso) e t2 (più sottile). Inoltre, sono state eseguite alcune prove su provini in fibra di carbonio solo in laminato solido di spessore t3 (ancora più sottile). In Fig. 6 sono riportati due provini di spessore t2 in fibra di carbonio (destra) e di vetro (sinistra). 5

7 Fig. 6 Provino in fibra di vetro (sinistra) e in fibra di carbonio (destra) I laminati dai quali sono stati ricavati i provini sono stati realizzati attraverso cicli di cura sotto pressa, con i parametri di seguito indicati: Tcura= ºC isoterma 20 min, pressione 3 bar. La configurazione strutturale dei provini SIMS è di seguito indicata. 6

8 Senza SIMS Con SIMS Non condizionati Condizionati Carbonio, spessore t1 3 3 Carbonio, spessore t Carbonio, spessore t2 3 3 Carbonio, spessore t Carbonio,

9 spessore t3 Vetro, spessore t1 Vetro, spessore t1 Vetro, spessore t2 Vetro, spessore t Tab. 1 Matrice delle prove Ogni lotto di provini con SIMS era composto da 6 elementi. Per ogni lotto, 3 provini sono stati sottoposti al preventivo ciclo termico e 3 sono stati provati senza condizionamento. I provini in laminato solido sono stati indicati con le sigle PC1-IMP, PC2-IMP, PV1-IMP e PV2-IMP. Gli altri sono stati impattati con una massa del peso di kg, lanciato da altezze diverse, per applicare diverse energie di impatto, Tab. 2. SIMS Cond. E, [J] Carbonio, spessore t1 PC1-IMP-1 no no 17.6 PC1-IMP-2 no no PC1-IMP-4 no no P-TM si no P-TM si si P-TM si no P-TM si si P-TM si si P-TM si no Carbonio, PC2-IMP-1 no no

10 spessore t2 PC2-IMP-2 no no 17.6 PC2-IMP-4 no no P-TM si si P-TM si no P-TM si no P-TM si si P-TM si no P-TM si si no si Carbonio, spessore t no si no no no no P-V1-IMP-1 no no P-TM si si Vetro, spessore t1 Vetro, spessore t2 P-TM si no P-TM si no P-TM si si P-TM si si P-TM si no P-V2-IMP-1 no no P-TM si no P-TM si si P-TM si si P-TM si no P-TM si si P-TM si no Tab. 2 Riepilogo delle condizioni di prova 9

11 4 Risultati e analisi I dati ottenuti dalle prove sono stati elaborati secondo quanto previsto dalla normativa ASTM D7136/D7136M. L energia fornita al pannello è stata calcolata come mgh, dove m è la massa dell impattatore espressa in kg, g=9.81 m/s 2 l accelerazione di gravità ed h l altezza di lancio del proiettile espressa in m. Dalla misura della forza di contatto F(t), tramite integrazione, si è ricavata la velocità v dell impattatore in funzione del tempo durante il contatto: v ( t) = v i + gt t 0 F ( t) m dt dove t=0 è l istante in cui incomincia il contatto e v i = 2gh la velocità al momento del contatto. Dalla velocità v(t), si è poi ricavato lo spostamento δ(t) della punta dell impattatore: δ ( t) = δ + v t i i + gt 2 2 t t 0 0 ( t) F m dt dt e l energia assorbita Ea(t): E a ( t) = 2 2 [ i v( t) ] + mgδ ( t) m v 2 10

12 4.1 Provini in fibra di carbonio di spessore t1 Sono di seguito riportati, Fig. 7, i risultati in termini di energia assorbita per i provini in fibra di carbonio di spessore t1, al variare dell energia di impatto. Pannelli in carbonio spessore t1 - I impatto Energia assorbita, J ,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 Tempo, sec PC1-IMP-2 - NO SIMS - 27,97J PC1-IMP-4 - NO SIMS - 27,97J P-TM SIMS - 27,97J P-TM SIMS-COND - 33,57J P-TM SIMS - 39,16J P-TM SIMS-COND - 39,16J P-TM SIMS-COND - 27,97J P-TM SIMS - 33,57J Fig. 7 Andamento dell energia assorbita in funzione del tempo In Tab. 3 sono riportati i valori della forza massima registrata. SIMS Cond. E, [J] Fmax, [N] PC1-IMP-2 no no PC1-IMP-4 no no P-TM si no P-TM si si P-TM si no P-TM si si

13 P-TM si si P-TM si no Tab. 3 Forza massima di contatto e tempo di contatto durante il primo impatto In Figg. 8-9 sono riportate alcune immagini relative al danneggiamento a seguito dell impatto nella zona opposta a quella di impatto, in alcuni provini, a parità di energia di impatto. Fig. 8 Provino in laminato solido dopo il primo ed il secondo impatto (27.97J) 12

14 Fig. 9 Provino in laminato SIMS dopo il primo impatto (27.97J) 4.2 Provini in fibra di carbonio di spessore t2 Sono di seguito riportati, Fig. 10, i risultati in termini di energia assorbita per i provini in fibra di carbonio di spessore t2, al variare dell energia di impatto. Pannelli in carbonio spessore t Energia assorbita, J PC2-IMP-1-NO SIMS - 27,97J PC2-IMP-4-NO SIMS - 16,79J 5 P-TM SIMS - 27,97J P-TM SIMS-16,79J P-TM SIMS-COND-22,38J 0 P-TM SIMS-COND-16,79J 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 Tempo, sec Fig. 10 Andamento dell energia assorbita in funzione del tempo 13

15 In Tab. 4 sono riportati i valori della forza massima registrata. SIMS Cond. E, [J] Fmax, [N] PC2-IMP-1 no no PC2-IMP-4 no no P-TM si no P-TM si no P-TM si si P-TM si si Tab. 4 Forza massima di contatto e tempo di contatto In Figg sono riportate alcune immagini relative al danneggiamento a seguito dell impatto nella zona opposta a quella di impatto, in alcuni provini. Fig. 11 Provino in laminato solido (impatto a 27.97J) 14

16 Fig. 12 Provino in laminato SIMS dopo l impatto (27.97J) 4.3 Provini in fibra di carbonio di spessore t3 Sono di seguito riportati, Fig. 13, i risultati in termini di energia assorbita per i provini in fibra di carbonio di spessore t3, al variare dell energia di impatto. Pannelli in carbonio spessore t Energia assorbita, J NO SIMS-COND-16,79J 30-2-NO SIMS-COND-27,97J 33-1-NO SIMS-16,79J 33-2-NO SIMS-22,38J ,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 Tempo, sec Fig. 13 Andamento dell energia assorbita in funzione del tempo 15

17 In Tab. 4 sono riportati i valori della forza massima registrata. SIMS Cond. E, [J] Fmax, [N] 30-1 no si no si no no no no Tab. 4 Forza massima di contatto e tempo di contatto In Figg sono riportate alcune immagini relative al danneggiamento a seguito dell impatto nella zona opposta a quella di impatto, in alcuni provini. Fig. 14 Provino in laminato solido (impatto a J) 16

18 Fig. 15 Provino in laminato solido (impatto a J) 4.4 Provini in fibra di vetro di spessore t1 Sono di seguito riportati, Fig. 16, i risultati in termini di energia assorbita per i provini in fibra di vetro di spessore t1, al variare dell energia di impatto. Pannelli in vetro spessore t1 - I impatto Energia assorbita, J P-V1-IMP-1-NO SIMS - 27,97J P-TM SIMS-COND - 33,57J P-TM SIMS - 27,97J P-TM SIMS - 33,57J P-TM SIMS-COND - 27,97J P-TM SIMS-COND - 27,97J P-TM SIMS - 27,97J 0 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 Tempo, sec Fig. 16 Andamento dell energia assorbita in funzione del tempo 17

19 In Tab. 5 sono riportati i valori della forza massima registrata. SIMS Cond. E, [J] Fmax, [N] P-V1-IMP-1 no no P-TM si si P-TM si no P-TM si no P-TM si si P-TM si si P-TM si no Tab. 5 Forza massima di contatto 4.5 Provini in fibra di vetro di spessore t2 Sono di seguito riportati, Fig. 17, i risultati in termini di energia assorbita per i provini in fibra di vetro di spessore t2, al variare dell energia di impatto. Pannelli in vetro spessore t Energia assorbita, J P-V2-IMP-1-NO SIMS - 16,79J P-TM SIMS-COND-16,79J P-TM SIMS-16,79J P-TM SIMS-COND-22,38J P-TM SIMS-27,97J 0 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 Tempo, sec Fig. 17 Andamento dell energia assorbita in funzione del tempo 18

20 In Tab. 6 sono riportati i valori della forza massima registrata. SIMS Cond. E, [J] Fmax, [N] P-V2-IMP-1 no no P-TM si si P-TM si no P-TM si si P-TM si no Tab. 6 Forza massima di contatto In Figg sono riportate alcune immagini relative al danneggiamento a seguito dell impatto nella zona opposta a quella di impatto, in alcuni provini. Fig. 18 Provino in laminato solido (16.79J) 19

21 Fig. 19 Provino in laminato SIMS (16.79J) 5 Conclusioni Nella presente attività di ricerca sono state studiate alcune proprietà meccaniche di materiali compositi in fibra di carbonio e in fibra di vetro con e senza utilizzo di SIMS, attraverso la prova impatto ASTM D7136/D7136M-12. Una parte dei provini, prima della prova, è stata sottoposta a condizionamento termico per verificare gli effetti di cicli termici e di umidità sul comportamento meccanico. I risultati sono estremamente incoraggianti e mostrano che i provini SIMS mostrano eccellenti capacità di assorbire l energia di impatto senza subire danneggiamenti particolarmente estesi. Nel confronto tra i laminati solidi e quelli contenenti SIMS bisogna inoltre tenere conto di due parametri importanti: a) in primo luogo il peso, in quanto il SIMS rispetto al laminato solido risulta essere inferiore di circa il 20%, b) il fattore economico, in quanto a parità di spessore del laminato, il costo del SIMS è circa il 60%. 20

22 Il condizionamento (temperatura e umidità) sembra non avere effetti negativi sulla capacità di assorbire impatti, anzi i provini condizionati forse mostrano leggeri effetti migliorativi. Il limitato numero di provini testati oggetto del presente rapporto non consente di fare un indagine statistica dei dati, ma è comunque riuscito a fornire un idea di massima del comportamento di questi materiali. Ulteriori campagne di prove con un numero maggiore di provini sono sicuramente auspicabili per costruire un data-base più ampio, in grado di dare risposte più puntuali anche sulla effettiva dispersione statistica dei dati. 21