Simulation of a self-healing ionomer under ballistic impact conditions

In the last two decades, a new class of innovative materials has become more and more interesting: self-healing materials. Industries and universities have spent a lot of time and effort in order to find, understand and develop materials with this property. Self-healing can revolutionize sectors as the space one, where maintenance is impossible or too expensive. Since 2010, Politecnico di Milano has started a research on this type of materials and focused on the study of a particular class of polymers called ionomers. Among them, Ethylene-Methacrylic Acid has the property to recover damages in case of high velocity impacts. During these years, numerous experimental data were collected from tensile and ballistic impact tests, in order to better understand and characterize this polymer and look at its possible applications (e.g.: tanks). In this thesis, a theoretical model is defined to capture the behavior in the most important phases of the self-healing process and a numerical model is presented in order to simulate the self-healing process under ballistic impact conditions. The first part of the thesis is devoted to numerically determining the values of the material model parameters and compare the numerical results with the experimental data from tensile tests. Once a model is defined, the second part of the thesis is devoted to the simulation of ballistic impacts in Abaqus. A Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) formulation is used in order to simulate the material behavior during the entire process. In conclusion, it is proven that a numerical model can be used to simulate the self-healing process even though, in order to achieve the complete closure of the hole, further studies are required.

Negli ultimi anni, una nuova classe di materiali innovativi ha suscitato interesse nel mondo della ricerca: i materiali autoriparanti. La capacità di autoripararsi è una proprietà che influenza la vita di ognuno di noi e la possibilità di sviluppare e utilizzare materiali con questa capacità potrebbe rivoluzionare settori dove la manutenzione è impossibile o estremamente costosa, come il settore spaziale. Dal 2010, il Politecnico di Milano ha iniziato una ricerca volta allo studio di questi materiali e una particolare classe di polimeri, chiamati ionomeri, ha suscitato maggiore interesse. Questi polimeri termoplastici hanno un contenuto di ioni che garantisce questa proprietà. Tra questi polimeri, l’Ethylene-Methacrylic Acid ha capacità di autoripararsi a seguito di impatti ad elevate velocità. Grazie al lavoro svolto da studenti e dottorandi, si è riuscito sperimentalmente a caratterizzare le proprietà di questo materiale grazie a numerose prove quali prove di trazione, prove balistiche e infine prove su possibili applicazioni come serbatoi. In questa tesi, è proposto un modello teorico volto a caratterizzare il materiale e un modello numerico per simulare il processo di autoriparazione nelle varie prove balistiche. Nella prima parte della tesi, è condotto uno studio per determinare numericamente i valori dei parametri che costituiscono il modello del materiale simulando le prove di trazione e confrontando i risultati ottenuti con i dati sperimentali. Nella seconda parte, invece, vengono simulati gli impatti balistici mediante Abaqus e i risultati ottenuti vengono confrontati con i dati sperimentali. Si è deciso di utilizzare un approccio Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) per simulare il processo di autoriparazione. Per concludere, il modello ottenuto ha la capacità di simulare il comportamento del materiale, sebbene ulteriori ricerche siano necessarie per ottenere la completa chiusura del foro.