Impact behaviour of multifunctional panels

L'obiettivo di questa tesi era di studiare un sistema multifunzionale soggetto a impatti ad alta- e iper-velocità. Questo sistema multifunzionale è un pannello che, oltre alla sua funzione portante, ha la capacità di autoripararsi cioè di chiudere i fori causati da impatti. Al fine di ottenere la multifunzionalità il pannello è costituito da diversi strati, ciascuno avente un compito specifico, contribuendo così ad una funzione specifica dell'intero sistema struttura multifunzionale. Dal punto di vista strutturale questo sistema multifunzionale può essere considerato come una piastra multistrato. Dal punto di vista funzionale gli strati del pannello possono essere suddivisi in due gruppi: strato strutturale e strato auto-riparante. Ogni strato può essere presente una o più volte nella configurazione del pannello. Le prestazioni della struttura multifunzionale dipendono dal numero di strati, dalle proprietà meccaniche e fisiche degli strati individuali, dallo spessore degli strati e della disposizione dei vari strati nella struttura multifunzionale. Il sistema multifunzionale studiato in questo lavoro è costituito da un strato auto-riparante e uno o due strati strutturali. Per fornire al sistema strutturale la capacità di richiudere i fori generati da impatti perforanti, uno strato di ionomero con capacità auto-riparanti è stato applicato nel sistema multifunzionale. Si è osservato che questi ionomeri sono in grado di richiudere i fori causati da impatti balistici. Inoltre questa proprietà è un comportamento intrinseco di questi materiali, quindi non è necessario un intervento esterno nel processo di auto-riparazione. Per gli strati strutturali, sono state usate lastre in materiale composito. Due strati strutturali leggermente diversi sono stati studiati. Uno è un laminato realizzato interamente in fibra di carbonio e resina, mentre l'altro è un laminato misto con due strati di fibra aramidica in resina epossidica sulle superfici estreme e una parte centrale in laminato di fibre di carbonio. Questi due strati strutturali e lo strato di ionomero sono stati combinati tra di loro per formare diverse configurazioni di pannelli multifunzionali. Le diverse configurazioni, tra cui gli strati singoli, sono stati testati in casi di impatto. Prove sul solo ionomero sono state eseguite per studiare la sua capacità di protezione nei confronti di impatti. Per questo scopo anche dei test d’impatto su lastre di alluminio sono stati effetuati e i risultati sono stati confrontati con quelli dello ionomero. La capacità di protezione è stata valutata attraverso lo studio del danno su witness plates e la quantità di moto ad esse trasferita. Gli strati strutturali in materiale composito per la struttura multifunzionale sono stati testati singolarmente e i relativi risultati sono stati confrontati tra loro e con quelli dello strato auto-riparante in ionomero. Inoltre si sono testate e valutate configurazioni di pannelli multifunzionali composte anche da due o tre strati. Il comportamento sotto impatto e il confronto delle configurazioni è stato caratterizzato attraverso: - la valutazione del trasferimento della quantità di moto alla witness plate, - la velocità dei frammenti nella nuvola di detriti, - il danno negli strati e, in certi casi, il danno sulla witness plate. Diversi strumenti sono stati utilizzati per misurare tali quantità: - un pendolo balistico per stimare la quantità di moto della nube di detriti; - una videocamera ad alta velocità per filmare le prove d'impatto, il che ha consentito la misurazione della velocità dei frammenti; - un rilevatore di difetti ad ultrasuoni per il rilevamento della delaminazione nel materiale composito. Il danno superficiale è stato ispezionato visivamente così come l'auto-riparazione dello ionomero che è stata valutata per tutti i test esaminando visivamente i campioni di ionomero. L’apprendimento dell’utilizzo di strumenti sofisticati quali il rivelatore ad ultrasuoni e la videocamera ad alta velocità è stata parte integrante del lavoro di dottorato che ha richiesto una considerevole quantità di tempo. Gli esperimenti sono stati condotti presso il laboratorio di impatti del CISAS, utilizzando il cannone a doppio stadio e a gas leggero. Le velocità d'impatto nelle prove sperimentali variavano fra ~ 1.0 e ~ 4.0 km/s. Sono state utilizzate come proiettili delle sfere in alluminio, il cui diametro variava fra 1.5 mm e 5.6 mm. Infine sono state effettuate delle simulazioni numeriche delle prove sperimentali sui singoli strati ed i risultati sono stati confrontati con quelli sperimentali. Le simulazioni numeriche sono state effettuate utilizzando l'hydrocode commerciale Ansys AUTODYN.