Numerical simulation of high and low velocity impact against representative aeronautical structures

The aim of the present work is to create a reliable numerical model that reproduce the effects of low and high velocity impacts events on composite materials. The activity has been carried out as part of the European project SAMAS. The general way used to proceed on the creation of the numerical model, has been to use some data from literature and previous research activities and new data coming from a new experimental testing campaign performed in the Politecnico di Milano laboratories. The comprehension of the damages induced in a carbon fibre reinforced with epoxy resin composite panel is a vast problem to study. The main challenge comes from the complexity of the material itself due to the fact that the damages ac at the level of the constituents (and their interfaces) but the most efficient modelling approach is a macro homogeneous one. The actual shape of the component and the type of the loads considered pose further challenges. The material tested is named Cytec 977-2-34%-24K IMS-196-T1, it is a prepreg made of carbon fibres and epoxy resin having high mechanical properties. The core of the present work is the building of a numerical model able to mimic low velocity impact induced damages since most of those kinds of damages are barely visible from the external surface interested by the impact. This phenomenon can lead to a misconception of the real health status of the component after the impact, which is extremely dangerous in the aeronautical field. The software used to create the model is LS-DYNA; a Finite Element Analysis tool specific for impact events which offer a large variety of material models. The most important parameter evaluated in the low velocity damage analysis has been the delamination area (a partial debonding between two layers of the laminate) which will be explained deeper in the following chapters. The second part of this work is about the high velocity impact testing, both from a numerical and experimental point of view. As will be seen the interaction between the composite panel and the bullet is minimum since the bullet can easily trespass the panel.

Lo scopo di questa tesi è quello di creare un modello numerico che riproduca gli effetti di impatti ad alta e bassa velocità sui materiali composisti. Questa attività fa parte di un progetto europeo chiamato SAMAS. Il modus operandi utilizzato per realizzare il modello numerico, è stato quello di riutilizzare dati provenienti da lavori precedenti a questo e da nuovi dati ottenuti da una campagna sperimentale effettuata presso i laboratori del Politecnico di Milano. La comprensione del danneggiamento dovuto agli impatti nei pannelli in composito in fibra di carbonio e resina epossidica, è un problema vasto da analizzare. La sfida più grande proviene dalla complessità del materiale stesso. Infatti, il danneggiamento avviene a livello microscopico dei suoi costituenti (e le loro interfacce) ma il modo più efficiente di modellare il problema è quello di vederlo omogeneo a livello macroscopico. La reale forma del componente e il tipo di carico applicato portano inoltre ulteriori complicazioni. Il materiale testato è il Cytec 977-2-34%-24K IMS-196-T1, un prepreg (preimpregnato) fatto di fibre di carbonio e resina epossidica con altissime proprietà meccaniche. La parte più importante di questo lavoro è la costruzione di un modello numerico in grado di riprodurre il danneggiamento dovuto ad impatti a bassa velocità visto che questi danni sono poco visibili dalla superficie esterna dell’area interessata dall’impatto. Questo fenomeno può portare ad una sovrastima del reale stato di integrità del componente dopo l’impatto, il che è molto pericoloso in campo aeronautico. Il programma utilizzato per realizzare il modello è LS-DYNA; un progamma di analisi ad elementi finiti specifico per impatti che offre una grande varietà di modelli di materiale. Il parametro più importante valutato nel caso di impatti a bassa velocità è stato la delaminazione (un distaccamento parziale tra due strati del laminato) che verrà spiegato accuratamente nei capitoli a seguire. La seconda parte di questa tesi riguarda gli impatti ad alta velocità, sia da un punto di vista virtuale che sperimentale. Come si vedrà, l’interazione tra il proiettile e il composito è minima poichè il proiettile trapassa facilmente il pannello.