Experimental and numerical characterization of woven composites subjected to low and high velocity impact

The present work is focused on the characterization of the impact behaviour of woven glass fibre and Kevlar composites embedded into an epoxy matrix. Special emphasis will be put on the experimental assessment of low velocity impact event through drop – weight experimental set-up. However, it will also be discussed high velocity impact cases by subjecting the specimens to a ballistic test. During the impact event, the effect of thickness and impact energy will be analysed on the R-Glass fibre/epoxy. In the same way, pristine and Kevlar® filled with carbon nanotubes and nanoplatelets will be investigated in order to evaluate the effect of the quantity of nanofillers. After, a post-mortem exam will be performed. For the case of the R-Glass/Epoxy composites, the Back Lighting technique will be used for measuring the damage area of both the low and high velocity specimens. Regarding the pristine Kevlar/Epoxy composites, the damage area will be extracted using Digital X-ray Radiography and Active Pulsed Thermography. For the latter, two methodologies will be developed for post-processing the thermograms to determine the equivalent damage diameter. Finally, the finite element modelling of one of the R-Glass/epoxy low velocity cases will be carried out using the numerical software LS-DYNA®. Prior to the simulation of the low velocity event, a parametric analysis of material model 54, based on Chang-Chang failure criteria, and material model 58, based on the MLT model, will be performed so as to clearly identify the effect of some input parameters on the material behaviour. The numerical results will be confronted with the experimental ones.

Il presente lavoro è incentrato sulla caratterizzazione del comportamento a impatto di pannelli piani in diversi materiali compositi a matrice epossidica. Particolare attenzione è posta sulla valutazione sperimentale del comportamento ad impatto a differenti velocità: l’impatto a bassa velocità viene studiato attraverso prove eseguite su di un sistema sperimentale drop – weight; l’alta velocità è analizzata per mezzo di test balistici. In particolare vengono qui investigati campioni di pannelli in fibra di vetro type- R e panelli in Kevlar con e senza la presenza di nanofiller (nanotubi e nanoplatelets di carbonio) al fine di studiare l’effetto combinato dello spessore, dell’eventuale presenza di filler e dell’energia di impatto. Le analisi vengono effettuate per lo più attraverso tecniche sperimentali che includono una verifica dei provini succesivamente alle prove. Per quanto concerne i compositi fibra di vetro R/resina epossidica, la tecnica back lighting è utilizzata per misurare l'area danneggiata in entrambe le configurazioni sperimentali (alta e bassa velocità). Per quanto riguarda i compositi di fibra di Kevlar/resina epossidica (limitatamente a quelli senza la presenza di nanofiller), invece, la zona di danno è individuata mediante Radiografia Digitale X-ray e termografia Active Pulsed. Per quest'ultima attività, sono sviluppate due metodologie per post-elaborare i risultati sperimentali attenuti dalla termografia al fine di determinare il diametro equivalente dell’area danneggiata. Infine, il software ad elementi finiti LS-DYNA® è stato utilizzato per simulare uno dei test sperimentali a bassa velocità sul composito in fibra di vetro. Tali modelli sono inoltre stati estesi ad una serie di analisi parametriche. Queste hanno permesso di verificare l'effetto di alcuni parametri di input sul comportamento predetto dai modelli. Tali parametri si riferiscono ai modelli di materiale scelti: modello di materiale 54, basato sul criterio di fallimento di Chang-Chang, e modello di materiale 58, basato sul modello MLT. Infine viene riportato, in forma critica, un confronto tra dati sperimentali e risultati numerici.