Analisi del danneggiamento di materiali compositi mediante tecniche termografiche

The current project aims to evaluate the damage of a composite material under static and dynamic loads. The object of investigation is a pillar of a bus-cabin with a modular structure; it has a sandwich structure with skins in fiber-reinforced composite material and a lightweight core made of a polymer foam. The research-work is divided into five chapters. The first chapter concerns a general introduction about this type of materials. Then, the second chapter explains the state of the art regarding thermography. The second part is concentrated on the description of experimental tests on glass/epoxy composite laminates with different stacking sequences, for the static characterization of the material. All the results were useful to optimize models realized with a finite elements method, validated with a following comparison between numerical and experimental results. The latier were obtained through specific tests on the pillars. The third part introduces the use of an IR-Thermal camera, which enables to evaluate the damage during static tests through qualitative and quantitative analyses. The use of thermal profiles, interrupted static tests and the following analyses of microscopy, allowed us to evaluate the several mechanism of damage from different points of view. In the last part of the project, it was applied the lock-in thermography (D-Mode) to observe the dame of the material under dynamic loads. At the end, it was required a fatigue characterization of the composite using traditional methods, with the aim of finding a law concerning the material’s lifetime estimation.

Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo la valutazione del danneggiamento di un materiale composito, soggetto a sollecitazioni statiche e dinamiche. Il componente oggetto di studio è un pilone montante della cabina di un bus a struttura modulare; ha una struttura sandwich con skin in materiale composito fibro-rinforzato e core in schiuma polimerica a bassa densità. Nella prima parte del lavoro si propone un’introduzione generale per questa categoria di materiali. In seguito viene presentato lo stato dell’arte sulla termografia ad infrarossi. Nella seconda parte sono descritte le prove sperimentali eseguite su laminati compositi in fibra di vetro, con diverse sequenze di laminazione, per la caratterizzazione statica del materiale. I risultati sono serviti ad ottimizzare dei modelli realizzati con un programma ad elementi finiti, convalidati in un successivo confronto tra i risultati numerici e sperimentali. Quest’ultimi sono stati ottenuti per mezzo di prove specifiche sul componente pilone. Nella terza parte, l’uso di una termocamera IR, ha permesso di valutare il danneggiamento durante prove statiche mediante analisi di tipo qualitativo e quantitativo. L’utilizzo del profilo termico come parametro energetico, prove statiche interrotte e successive analisi di microscopia, hanno permesso di analizzare i vari meccanismi di danneggiamento da più punti di vista. Nell’ultima parte del lavoro è stata applicata la termografia lock-in (D-mode) per monitorare il comportamento a fatica del materiale composito in esame. Infine è stata necessaria una caratterizzazione a fatica del composito utilizzando metodi più tradizionali, giungendo ad una legge di previsione di vita per il materiale.