Response of fiber metal laminates to low velocity impact: modeling and experiments

In the last decades, the need to high-performance and lightweight materials for the aero- nautical industry led to the development of Fiber Metal Laminates (FMLs). FMLs are hybrid materials composed by epoxy layers, reinforced with fi bers, inserted between two metal layers forming a sandwich structure. They shows great mechanical and fatigue properties, resistance to fi re and corrosion and good impact behaviours, maintaining lower specifi c weight than monolithic metal. The main focus of the thesis is to analyze the im- pact response of FMLs at low velocity, in order to simulate accidental impact during operating life or maintenance services. Diff erent Finite Element Models (FEM) were gen- erated using the program ABAQUS CAE ® and validated to predict the impact behaviour of two kinds of FMLs: GLARE (GLAss REinforced laminate) and CARALL (CArbon fi ber Reinforced ALuminum Laminate). A lot of FEM analysis were set and their results permit to estimate the damage occurred inside the materials during the impact. Due to the heterogeneity of FMLs, diff erent criteria were implemented in order to predict dam- age initiation and evolution inside all the plies. The Johnson-Cook criterion was used for metal alloys, it is an elastic-plastic-damage criterion particularly useful for steps with fast dynamics, such as impacts. The initiation and evolution of damages occurred inside fi bre-matrix layers were predicted using 2D Hashin criterion, an elastic-damage criterion able to predict also the action that cause the onset of damage. The last critical aspect to consider is delamination. A bi-linear traction separation law was implemented to model the adhesion between the layers. For this purpose, two diff erent approaches were followed, the fi rst model simulate the presence of cohesive layers with fi nite thickness, the second one use zero thickness cohesive interfaces. At the end, a comparison between diff erent models results was done. In parallel to FEM simulation, some FMLs specimen were made and tested following the ASTM D7136 standard. The objective was to address any manufacturing-related issues and experimentally test them in order to compare results with FEM simulations.

Negli ultimi decenni, la necessità di materiali leggeri e ad alte prestazioni per l’industria aeronautica ha portato allo sviluppo dei cosiddetti Fiber Metal Laminate (FML), ovvero materiali ibridi composti da strati resina epossidica rinforzati con fibre inseriti tra due strati metallici, formando una struttura a sandwich. Grazie a questa configurazione, presentano ottime proprietà meccaniche e a fatica, resistenza al fuoco, alla corrosione e agli urti, mantenendo un peso specifico inferiore rispetto al metallo monolitico. L'obiettivo principale della tesi è analizzare la risposta all'impatto degli FML a bassa velocità, al fine di simulare l'impatto accidentale durante la vita utile dei componenti o gli interventi di manutenzione. Diversi modelli agli elementi finiti (FEM) sono stati generati utilizzando il programma ABAQUS CAE ® e validati per prevedere il comportamento all'impatto di due tipi di FML: GLARE (GLAss REinforced laminate) e CARALL (CArbon fi ber Reinforced ALuminum Laminate). Le analisi FEM sono state impostate seguendo le istruzioni della normativa ASTM D7136, i loro risultati permettono di stimare il danno avvenuto all'interno dei materiali durante l'impatto. A causa dell'eterogeneità dei FML, sono stati implementati diversi criteri per prevedere l'inizio e l'evoluzione del danno all'interno di tutti gli strati. Per le leghe metalliche è stato utilizzato il criterio di Johnson-Cook, in particolare si tratta di un criterio elasto-plasto-danno utile per simulazioni con dinamica veloce, come gli impatti. L'inizio e l'evoluzione dei danni avvenuti all'interno degli strati della matrice rinforzata sono stati stimati utilizzando il criterio di Hashin 2D, un criterio elasto-danno in grado di prevedere anche le azioni che causano l'insorgere del danneggiamento. L’ultimo aspetto critico da considerare è la delaminazione. È stata implementata una legge bilineare di “traction-separation” per modellare l'adesione tra gli strati. A questo scopo sono stati seguiti due diversi approcci, il primo modello simula la presenza di strati coesivi con spessore finito, il secondo utilizza interfacce coesive a spessore zero. In fine è stato effettuato un confronto tra i risultati ottenuti dai diversi modelli. Parallelamente alle simulazioni FEM, sono stati creati alcuni campioni di FML e testati secondo la normativa ASTM D7136. L'obiettivo era quello di affrontare eventuali problematiche legate alla loro produzione ed infine confrontare i risultati sperimentali con le simulazioni FEM.