Operazioni preliminari
Si procede innanzitutto con l’accensione dei due calcolatori che gestiscono la macchina di prova e l’acquisizione dei dati.
Figura 3.16: Postazione per l'acquisizione dei dati sperimentali e per il controllo della macchina di prova.
Prima di poter procedere, occorre far riscaldare la macchina con dei cicli sinusoidali per almeno 20 minuti.
Si procede quindi al set up dello Spider8 attivando i canali di acquisizione e impostando i parametri di conversione e la frequenza di acquisizione. I parametri di conversione consentono il passaggio dalle tensioni misurate alle quantità di interesse; uno di questi parametri da fornire è il gage factor dell’estensimetro (k=2.09 per le prove di trazione, k=2.04 per le prove di taglio).
Per quanto riguarda la frequenza di acquisizione, si è utilizzata una frequenza di campionamento di 25 Hz.
Una verifica molto importante da fare prima dell’inizio delle prove riguarda l’allineamento del sistema che permette di ridurre la dispersione dei dati sperimentali ed evita l’insorgenza di rotture premature dei provini.
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Il sistema viene allineato durante l’istallazione della macchina e ogni volta che ne viene cambiata la configurazione operativa. Fenomeni di usura e variazioni impulsive del carico possono causare un disallineamento, che è necessario correggere. Un metodo per valutare il grado di allineamento consiste nel testare un provino a sezione rettangolare che viene equipaggiato con tre estensimetri longitudinali (2 sulla faccia anteriore e 1 su quella posteriore). La differenza nelle deformazioni rilevate sarà funzione dell’entità del momento flettente presente nel piano dello spessore ( ) e della larghezza ( ). Si possono valutare i rapporti percentuali tra le deformazioni flessionali e la deformazione media longitudinale attraverso le formule
dove e sono degli indici percentuali proporzionali al momento flettente attorno a y e
z rispettivamente; mentre è dato da
Affinché la prova risulti valida occorre che queste quantità siano comprese tra il 3÷5%.
Fissaggio del provino
Una volta che la macchina di prova è pronta, si estrae il provino dalla camera climatica. Viene quindi fissato alla macchina di prova attraverso degli afferraggi cilindrici in acciaio che permettono di trasferire il carico per attrito. Ogni afferraggio ha un’estremità filettata per il collegamento alla macchina di prova, mentre nell’altra è presente un’apertura per l’inserimento del provino. Si sono utilizzate anche delle piastrine per adattare l’afferraggio alla geometria dell’insieme provino-tab.
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Figura 3.17: Afferraggio e piastrine utilizzati per lo svolgimento delle prove.
Per quanto riguarda i tab, si sono utilizzati dei tab semplicemente appoggiati al provino con l’accortezza però di preparare la superficie del coupon con della carta vetrata in modo da aumentare l’attrito fra le superfici. Per avere maggior attrito tra provino e tab si sono poi utilizzate delle “camicie”, piastrine di acciaio che si serrano sopra il tab.
Figura 3.18: Foto della cravatta (sinistra) e del tab (destra).
Per il serraggio degli afferraggi e delle camicie, infine, si sono utilizzate delle chiavi dinamometriche, con delle coppie di 70 Nm e 9 Nm rispettivamente, così da garantire la stessa forza per tutte le prove effettuate.
L’operazione di serraggio introduce nei provini una lieve sollecitazione di compressione che deve essere eliminata per non sovrastimare il carico ultimo di rottura. Questo è
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possibile allontanando lentamente i due afferraggi fino a che il valore della forza misurato dalla cella di carico non torna a zero.
Una volta fissato il provino si procede con il collegamento attraverso saldatura dei cavi elettrici dell’estensimetro alla basetta di misura in modo da chiudere i circuiti a ponte. Per verificare la presenza di eventuali malfunzionamenti derivanti dalla mancanza di continuità elettrica si fa partire un’acquisizione dati di verifica per controllare che vi sia una corretta trasmissione dei dati.
Accensione forno
Prima di chiudere il forno attorno al provino si procede all’istallazione della sonda che ha il compito di misurare la temperatura all’interno del forno. Il sensore viene attaccato al provino grazie ad una clip in legno, posizionandolo il più vicino possibile alla gage region, in modo da fornire la temperatura della zona di interesse per la prova.
Figura 3.19: Fissaggio della sonda per la rilevazione della temperatura del forno elettrico.
Una volta fissata la termocoppia, si può procedere con l’accensione del forno.
Per avere una temperatura omogenea all’interno del forno e per minimizzare i tempi necessari al raggiungimento della temperatura desiderata, le resistenze vengono settate a valori crescenti procedendo dall’alto verso il basso. Ciò ha consentito di effettuare la prova
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in tempi relativamente brevi (circa 30 min. da quando il provino viene tolto dalla camera climatica), in accordo con quanto prescritto dall’ente che ha fornito i provini.
La temperatura è visibile su un display posto vicino alle manopole per la regolazione delle resistenze.
La regolazione della corrente nelle resistenze è una fase delicata. Occorre infatti fare in modo che la temperatura desiderata non venga raggiunta troppo velocemente o lentamente. Nel primo caso, infatti, il provino verrebbe sottoposto a shock termico, mentre nel caso di raggiungimento della temperatura in tempi lunghi si correrebbe il rischio che il provino perda l’umidità assorbita in camera climatica.
A causa dell’espansione del materiale, al raggiungimento della temperatura desiderata (120°), il provino risulterà sottoposto a compressione. Questo inconveniente viene risolto anche in questo caso allontanando lentamente i due afferraggi durante le fasi di riscaldamento.
Figura 3.20: Pannello di controllo del forno elettrico; si possono notare le manopole per la regolazione della corrente nelle resistenze e il display dove viene mostrata la temperatura.
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Esecuzione del test
Una volta raggiunta la temperatura, si azzerano tutti i canali dello Spider 8, si dà inizio all’acquisizione dei dati e si fa eseguire alla macchina di prova una rampa di carico con una velocità del martinetto di 2 mm/min, fino alla rottura del provino.
La velocità di 2 mm/min si ottiene, per le prove di trazione, imponendo alla macchina di prova uno spostamento di 10 mm in 300 secondi; poiché in una prova di taglio questo tempo non sarebbe sufficiente a portare il provino a rottura, per questo tipo di prove si impone uno spostamento di 25 mm in 750 secondi.
A questo punto si ferma la macchina, si interrompe l’acquisizione dei dati e si procede al loro salvataggio.
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Capitolo IV
Conclusioni
Il crescente utilizzo dei materiali compositi in molti campi dell’industria e nello specifico in quella aerospaziale fa sì che vi sia sempre più la necessità di conoscere con precisione le proprietà meccaniche di questi materiali. Ciò è possibile mediante campagne di prove sperimentali.
Un problema nell’elaborazione dei dati provenienti da test su questi materiali è rappresentato dalla dispersione dei risultati. Nel seguente lavoro di tesi, infatti, prima di poter unire i risultati provenienti da prove effettuate sulle diverse famiglie di provini per avere un quadro completo delle caratteristiche del materiale, è stato necessario verificare, attraverso procedure specifiche, se i provini potevano considerarsi appartenenti alla stessa popolazione. Un esito negativo della procedura, come nel caso dei C2-120W-5H, C2- RTW-5H e C2-RTD-5H, potrebbe significare che vi siano stati dei problemi durante la fabbricazione del materiale.
Per elaborare i risultati provenienti dalla campagna prove oggetto di questa tesi, sono state utilizzate le linee guida dei regolamenti ASTM e EN.
Le norme ASTM trattano in maniera più dettagliata le problematiche riguardanti l’esecuzione dei test e permettono uno stretto controllo sui dettagli che possono causare dispersione dei risultati.
Come si può osservare confrontando i valori delle varie proprietà ottenuti con le due normative, le ASTM sono più cautelative, garantendo sì un maggior margine di sicurezza, ma portando così ad un sovradimensionamento delle strutture.
Le norme EN, lasciando maggiore libertà di esecuzione dei test, non garantiscono la ripetitività delle prove, fondamentale durante lo svolgimento di campagne sperimentali.
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Dall’elaborazione dei risultati ottenuti dai test eseguiti durante il seguente lavoro di tesi e da precedenti campagne di prove, svolte sempre presso il dipartimento di ingegneria Civile e Industriale-Sezione Aerospaziale di Pisa, [21, 22, 23, 24], riguardanti provini dello stesso materiali ma sottoposti ad altre condizioni di prova (RTW e RTD), è emerso che rispetto ai provini RTWET, i 120W presentano una perdita delle proprietà meccaniche, probabilmente causata dal deterioramento della matrice con la temperatura; proprietà che rimangono comunque quasi sempre superiori a quelle ottenute dai test su provini non condizionati e testati a temperatura ambiente (RTD).
Concludendo, questo tipo di materiale può quindi essere tranquillamente utilizzato per la realizzazione di strutture sottoposte a forti tassi di umidità ma non operanti ad alte temperatura (circa metà della temperatura di cura) per tempi prolungati.
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