A novel approach in characterisation of delamination in impacted non-crimp fabric thin-ply composite laminates by means of experimental modal analysis

Impact, strikes, shocks and in-service overloads can trigger delamination, i.e. loss of adhesion between layers, in composite components. This kind of damage can compromise structural integrity and it is difficult to be detected with visual inspection methods. The research group AMADE has nearly two decades of experience in simulation, characterisation and non-destructive inspection test of composites. However, the non-destructive inspection methods currently used, like ultrasonic scan and x-ray tomography, are very expensive and time-consuming. The aim of this study is to prove the capability to predict the level of damage of impacted structures by means of Experimental Modal Analysis. Twelve specimens of C-PlyTM, a Non- Crimp Fabric Bi-Angle material manufactured through spread tow thin ply technology, are used in this study; these specimens have been tested following the standard used in the aeronautical industry to obtain design allowables for the laminate’s residual strength after impact events. An impact test with a drop-weight tower is performed to damage at different levels of energy the specimen, then through Experimental Modal Analysis the natural frequencies, non-dimensional damping ratio and mode-shapes are computed. On the other hand, a C-scan inspection is performed in order to assess the health status of the plates and correlate the severity of damage with the vibrational analysis.

Impatti, shock e sovraccarichi in servizio possono innescare la delaminazione, ossia la perdita di adesione tra i diversi strati nei laminati fabbricati in materiali compositi. Questo tipo di danno può compromettere l'integrità strutturale ed è difficile da rilevare con metodi di ispezione visiva. Il gruppo di ricerca AMADE ne ha circa due decenni di esperienza in simulazione, caratterizzazione e test di ispezione non distruttivi di materiali compositi. Tuttavia, i metodi di ispezione non distruttiva attualmente utilizzati, come la scansione a ultrasuoni e la tomografia a raggi X, sono molto costosi e richiedono molto tempo. Lo scopo di questo studio è dimostrare la capacità di prevedere il livello di danno delle strutture colpite con l’utilizzo dell’ analisi modale sperimentale, nell’ottica di ridurre la complessità, la durata e i costi per le ispezioni. Dodici provini di C-Ply, laminati compositi realizzati tramite la tecnologia non-crimp fabric sono utilizzati in questo studio; questi campioni sono stati testati seguendo lo standard utilizzato nell'industria aeronautica per ottenere design ammissibili per la resistenza residua del laminato dopo danneggiamenti da impatto. Quindi viene eseguito un test di impatto con una torre a caduta di peso per danneggiare il campione; diversi livelli di energia vengono utilizzati per valutare diverse condizioni di danneggiamento. Così attraverso l'analisi modale sperimentale, le frequenze naturali, il rapporto di smorzamento adimensionale e i modi di vibrare vengono analizzati. Inoltre, viene eseguita un'ispezione tramite scansione ad ultrasuoni, C-scan, per valutare il livello di danneggiamento delle lastre e correlare la gravità di questo con l'analisi vibrazionale.