experimental and numerical investigation of glass and kevlar composites

This thesis work is focused on studying the impact response of woven aramid, glass, and aramid/glass reinforced polymers with varying structural configurations and which were constituted by a novel elastomeric polyurethane matrix. The composites impact resistance was investigated by performing drop weight impact tests. FEM models were also developed for replicating and investigating the structural response of the composite panels and damaging. The project stems from the consolidated collaboration established between Politecnico di Milano and Universidade Federal do Rio Grande do Sul, which mainly concerns composites related research. First, a vast experimental campaign was performed for the calibration of the composites mechanical properties and the definition of the material model in the numerical analysis. Secondly impact tests were carried out, from which the impact resistance of the investigated materials was analyzed and discussed in detail. Some peculiar behavior has emerged from the experimental tests for the material’s mechanical properties calibration. Moreover, from impact test investigation, it was shown in first analysis a promising behavior for what concern the materials capability to resist impact events, with respect to same laminates constituted by a standard epoxy resin matrix. In particular, an enhanced capability in absorbing energy from the impact has emerged from the results. This behavior in the composites was assigned to the use of the novel polyurethane matrix. The presented work could represent a good starting point for the further investigation of the damage resistance in composites constituted by a matrix material with similar properties of the one here adopted. Concerning instead the numerical investigation, from the analysis of the obtained results, it was concluded that for a better reproducibility of the tests a more sophisticated material model should be developed/used for the description of the investigated composites, taking into account the influence of the matrix material in the model

Questo lavoro di tesi è incentrato sullo studio della risposta all'urto di compositi rinforzati con fibre aramidiche, vetro e aramide/vetro con diverse configurazioni e costituiti da una nuova matrice poliuretanica elastomerica. La resistenza all'impatto dei compositi è stata studiata eseguendo prove di impatto. Sono stati inoltre sviluppati modelli FEM per replicare e studiare la risposta strutturale dei pannelli compositi e il loro danneggiamento. Il progetto nasce dalla consolidata collaborazione instaurata tra il Politecnico di Milano e l’Universidade Federal do Rio Grande do Sul, che riguarda principalmente ricerca legata a materiali compositi. In primo luogo, è stata eseguita una vasta campagna sperimentale per la calibrazione delle proprietà meccaniche dei compositi e la definizione del modello di materiale utilizzato nell'analisi numerica. In secondo luogo, sono state eseguite le prove di impatto, dai cui risultati è stata analizzata e discussa in dettaglio la resistenza all’impatto dei materiali. Alcuni comportamenti peculiari sono emersi dalle prove sperimentali già durante la calibrazione delle proprietà meccaniche. Inoltre, dall'indagine sugli impatti, è stato mostrato in prima analisi un comportamento promettente per quanto riguarda la capacità dei materiali di resistere ad essi, rispetto agli stessi laminati costituiti da una matrice di resina epossidica standard. In particolare, dai risultati è emersa una migliorata capacità di assorbire energia dall'impatto. Questo comportamento nei compositi è stato attribuito all'uso della nuova matrice poliuretanica. Il lavoro presentato potrebbe rappresentare un buon punto di partenza per ulteriori indagini sulla resistenza al danneggiamento in compositi costituiti da matrici con proprietà simili a quella qui adottata. Per quanto riguarda invece le simulazioni numeriche, si è giunti alla conclusione che, per ottenere una migliore riproducibilità dei risultati delle prove, un modello di materiale più sofisticato dovrebbe essere adottato o sviluppato per descrivere il comportamento dei compositi qui investigati, prendendo maggiormente in considerazione l’influenza della matrice