Development and testing of an impact monitoring system for composite structures

In the recent years, the use of composite materials in engineering structures is continuously growing due to their unique features, such as high specific strength, lightweight, resistance to fatigue and corrosion, flexibility in design. However, they are susceptible to low velocity impact (LVI) caused by external bodies that can cause several types of barely visible impact damages (BVID), like delamination, debonding, indentation, fibre/matrix cracking etc., that consistently reduce the strength of the material. For these reasons, the research has been pushed forward in the recent years toward the development of Impact Monitoring (IM) systems, for the identification (i.e. detection, location and energy estimation) of impact events on the structure’s surface caused by foreign bodies (passive approach) and estimation of presence and extension of a possible (active approach). In the work of this thesis, an IM system applied to a glass fibre reinforced composite specimen is developed and tested, constituted by PZT and FBG sensors. For the passive approach, several impact tests have been performed with an impulse hammer and the relationships between the Times of Arrivals (TOA) of the propagating elastic waves to the sensors and the distances of the impact positions from the sensors are obtained. For the active approach, the capability of the system to detect a damage on the specimen is analysed by comparing the signals acquired for the undamaged and damaged specimen, thus defining a Damage Index (DI).

L’utilizzo di materiali compositi nelle strutture ingegneristiche è incrementato negli ultimi anni, grazie alle loro proprietà uniche, quali elevata resistenza specifica, leggerezza, resistenza alla fatica e alla corrosione, flessibilità di progettazione. Il loro svantaggio, tuttavia, è l’elevata suscettibilità agli impatti con oggetti esterni, che possono causare diversi tipi di danneggiamenti, come delaminazioni, indentazioni, fratture della matrice o delle fibre di rinforzo ecc., che compromettono la resistenza del materiale. Per questo motivo, negli ultimi anni la ricerca si è spinta verso lo sviluppo di sistemi di Monitoraggio di Impatti (IM), per l’identificazione (rilevazione, localizzazione, stima dell’energia) di impatti sulle superfici delle strutture causati da oggetti esterni (approccio passivo) e stima della presenza e estensione di un possibile danno (approccio attivo). Il lavoro di questa tesi è volto allo sviluppo e test di un sistema IM applicato ad un provino di materiale composito in fibra di vetro, costituito da sensori PZT e FBG. Per l’approccio passivo, sono stati eseguiti diversi test di impatto con un martello ad impulsi e sono state ricavale le relazioni tra tempi di arrivo (TOA) delle onde elastiche ai sensori e distanze dei punti di impatto dai sensori. Per l’approccio attivo, è stata analizzata la capacità del sistema di rilevare un danno sul provino, comparando i segnali acquisiti per il provino sano e danneggiato, definendo un Indice di danneggiamento (DI).