Low velocity impact and compression after impact behavior of CFRP laminates with embedded FBG sensors

In recent years, researchers' efforts have been increasingly directed towards creating smart structures able to self-diagnose, exploiting the possibility given by advanced composite materials to embed a network of sensors directly inside the material itself. Composite materials are known for their exceptional in-plane specific mechanical properties, but their relative weakness in the thickness direction makes them susceptible to impact damage. In the present work, the behavior of CFRP laminates subjected to low-velocity impacts has been investigated. Furthermore, the effects of an embedded fiber optic sensors network (specifically FBG sensors) have been studied regarding both impacts and residual compressive strength performances. Experimental programs of drop-tests and compression after impact (CAI) tests have been carried on, starting from the design of the used testing devices to the actual tests. Concerning impact behavior, results have shown that, for the barely visible damage range, the embedded FBGs have negligible influence on the damage state which has been assessed with ultrasonic testing and computed tomography. On the other hand, since a rather realistic configuration was chosen, CAI strength has been found strongly compromised by the distortion at the ingress/egress points of the optical fiber: at least in the low energy impact range, this effect is found more relevant than the impact damage. However, FBGs network has been proven to be a reliable solution to reveal impact damage with substantial spectral alteration even with the lower energies. The suitability of an analytical model able to predict a threshold impact load for damage onset and the resulting damage extent, as well as an approximated load-displacement curve, has been also investigated. Subsequently, a novel approach has been presented showing promising results with more realistic load curves and good agreement with the experimental data. A prediction damage index has been proposed and thought to be of help in the preliminary selection of material and layup configuration without the use of detailed and computational demanding FEM models.

Negli ultimi anni, innumerevoli sforzi sono stati sempre più indirizzati a creare smart structures con capacità di auto-diagnosi, sfruttando in particolare la possibilità dei materiali compositi di incorporare una rete di sensori direttamente all'interno del materiale stesso. I materiali compositi sono noti per le loro considerevoli proprietà meccaniche specifiche nel piano, ma la loro relativa debolezza nella direzione dello spessore li rende sensibili ai danni da impatto. Nel presente lavoro di tesi, è stato studiato il comportamento di laminati CFRP sottoposti ad impatti a bassa velocità. Inoltre, gli effetti dell’embedding di una rete di sensori ottici (in particolare sensori FBG), sono stati analizzati sia riguardo le prestazioni di resistenza da impatto sia rispetto alle proprietà residue a compressione. Nello specifico, a partire dalla progettazione dei dispositivi di test fino allo svolgimento delle prove stesse, sono state realizzate due campagne sperimentali secondo norma: drop-test e compression after impact (CAI). Per quanto riguarda il comportamento durante l’impatto, i risultati hanno mostrato che, almeno per quanto riguarda il range di energia testato, l’integrazione del sistema FBG ha un'influenza trascurabile sullo stato di danno, il quale è stato valutato mediante ultrasuoni e tomografia computerizzata. D'altra parte, poiché è stata considerata una configurazione piuttosto realistica, la resistenza CAI risulta fortemente compromessa dalle distorsioni presenti nei punti di ingresso/uscita della fibra ottica: questo effetto risulta più gravoso di quello del danno causato dall'impatto stesso, almeno per quanto riguarda le energie d’impatto considerate. Tuttavia, è stato dimostrato che la rete FBG può essere considerata una soluzione affidabile in ottica di monitoraggio strutturale per rivelare danni da impatto, vista la sostanziale alterazione del loro spettro caratteristico verificatasi anche con impatti a bassa energia. L'idoneità di un modello analitico in grado di prevedere un carico di soglia per l’insorgenza del danno da impatto e l'entità danni derivanti, è stata successivamente studiata. Inoltre, un nuovo approccio è stato presentato mostrando risultati promettenti con curve di carico più realistiche e buon accordo con i dati sperimentali. Infine, un indice del danno previsto è stato proposto e pensato per essere di aiuto nella selezione preliminare dei materiali e nella scelta della configurazione del layup, evitando l'uso di modelli FEM dettagliati ed esigenti dal punto di vista del costo computazionale.