Finite element model of ballistic impacts on self-healing ionomers

In recent years a growing interest arose for a particular class of materials: self-healing materials. Amongst the numerous materials possessing an intrinsic self-healing ability, the class of ionomers is taking on a central role in the space field. Thermoplastic polymers such as Ethylene-Co-Methacrylate have shown the capability to repair damage caused by high velocity impacts. Since 2010, thanks to the dedication of many students at Politecnico di Milano, a research program has been developed whose objective is to identify some peculiar parameters which have a role in the healing process. The analyses conducted at Politecnico have been characterized by a strong experimental contribution: the material has been tested on uniaxial tensile tests, its thermal properties have been identified thanks to the analysis of both calorimetry and thermocamera, as well as many impact tests with air-gun have been performed. This thesis aims at creating a numerical model capable of representing with good accuracy the impact phenomenon and the subsequent healing mechanism. Uniaxial tensile tests in particular have been analysed in order to define a plasticity model which is able to represent the dependence on strain rate and temperature. This model has been verified and compared to a non perforating impact test performed at relatively low velocity. The last part of this thesis is focused on the Eulerian formulation of the impact event in order to represent the healing process. In conclusion it has been proved that a finite element model of the healing process is feasible, even if further progress is to be made with the purpose of showing a complete sealing of the hole.

Negli ultimi anni un crescente interesse si è sviluppato per la classe dei materiali autoriparanti. Tra gli ormai numerosi materiali che possidono abilità di autoriparazione, una classe che riveste particolare importanza per l'ambiente spaziale sono gli ionomeri. Polimeri termoplastici come l'etilene-co-metacrilato hanno dimostrato di poter riparare il danno causato da impatti ad alta velocità. Dagli inizi del 2010, grazie al lavoro di studenti e dottorandi del Politecnico di Milano è stato sviluppato un programma di ricerca con l'obiettivo di identificare i parametri fondamentali e peculiari per l'attivazione del processo di autoriparazione. L'analisi condotta fin qui è stata in maggior misura sperimentale: il materiale è stato caratterizzato dal punto di vista meccanico, grazie a prove di trazione, e termico con l'utilizzo di termocamere e prove calorimetriche; in aggiunta numerosi test di impatto a varie velocità sono stati effettuati e analizzati sotto più aspetti. La presente tesi vuole affrontare il compito di realizzare un modello numerico che possa descrivere con buona approssimazione il fenomeno di impatto e autoriparazione. I test di trazione assiale sono stati analizzati per definire un modello di plasticità che tenga conto della non solo della velocità di deformazione, ma anche della temperatura. Il modello fin qui definito è stato utilizzato in una simulazione di impatto e confrontato con prove di impatto a bassa velocità per testarne la validità. Infine la parte finale di questa tesi si occupa della modellazione euleriana del materiale per cercare di riprodurre il processo di autoriparazione a seguito dell'impatto. In particolare i risultati dimostrano che un modello ad elementi finiti del processo di autoriparazione è possibile, seppure ulteriori progressi nello sviluppo del modello devono essere ancora fatti perchè il materiale possa saldarsi in modo uniforme.