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Capitolo 1
Introduzione
1.1
Prove d'impatto per le strutture in materiali compositi
I materiali compositi trovano attualmente largo impiego in componenti strutturali specialmente in ambito aeronautico. I laminati in composito sono caratterizzati da valori elevati del rapporto resistenza-peso e rigidezza-peso. Materiali polimerici rinforzati con fibre di carbonio (CFRP) sono però facilmente soggetti a danneggiamento a causa di carichi ortogonali al piano del laminato prodotti ad esempio da fenomeni d'impatto o indentazione.
Convenzionalmente si stabilisce una soglia di velocità d'impatto fra 10 e 20 m/s per distinguere due tipologie di impatto, a bassa velocità e ad alta velocità, caratterizzate da un diverso tipo di danno indotto.
Questa scarsa resistenza al danno provocato da impatti a bassa velocità e bassa energia rappresenta uno dei principali ostacoli a una maggiore dif-fusione di strutture in materiali compositi, in particolare quelli a matrice termoindurente, come ad esempio le resine epossidiche.
D'altra parte è molto alta la probabilità che si verifichi questa tipologia di sollecitazione accidentale durante le fasi di realizzazione, di servizio e di manutenzione di strutture in materiale composito.
Questo giustifica la grande attenzione, da parte dei ricercatori, al pro-blema la cui complessità richiede sia studi teorici che sperimentali. Infor-mazioni sul danneggiamento da impatto di compositi possono essere rica-vate da test d'indentazione statica ma si può ottenere una migliore com-prensione dei meccanismi di danneggiamento dinamico simulando effetti-vamente l'impatto di un oggetto estraneo. Per valutare la riduzione della resistenza statica a compressione di un provino di materiale composito
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cessivamente a una prova da impatto si può eseguire un test secondo la normativa ASTM D7137.
Le macchine per prove d'impatto si possono classificare sulla base del metodo usato per fornire l'energia cinetica all'impattatore. Esistono ad e-sempio macchine in cui una piccola quantità di gas compresso spinge un proiettile all'interno di un tubo. Esse sono adatte a produrre impatti ad alta velocità (fino a 9-10 km/s) di proiettili con massa molto piccola (fino a 0,1 g). Vi sono poi macchine per impatto a caduta che sfruttano la sola gra-vità e sono adatte a riprodurre impatti a bassa velocità [14]. La macchina oggetto di questa tesi fa parte di quest'ultima categoria.
1.2
Organizzazione del lavoro
La progettazione della macchina si fonda sulla normativa ASTM D 7136/D 7136 M - 07. Nel secondo capitolo sono illustrati lo scopo e la meto-dologia della prova secondo la normativa di cui sopra. Si descrivono le at-trezzature necessarie e la procedura per l'esecuzione della prova e l'acquisi-zione dei dati. Si espongono infine i calcoli preliminari a una prova d'im-patto per stimare l'energia potenziale dell'impattatore e quelli successivi al-la prova per ricavare lo spostamento del percussore in funzione del tempo.
Nel terzo capitolo, per alcuni drop weight tester presenti sul mercato, si valutano in modo critico le architetture dei principali dispositivi e meccani-smi che i costruttori hanno scelto per le proprie macchine. Si prendono in considerazione anche le diverse opzioni che ciascun produttore ha scelto per il carrello porta punta. I dati tecnici e le immagini sono estratti dai cata-loghi reperibili in rete.
Si procede, nel quarto capitolo, all'identificazione dei requisiti presta-zionali del drop weight tester. In particolare si pone l'accento sui vincoli di massa dell'impattatore, distribuzione della sua massa, sulla precisione del punto d'impatto, sulla precisione dell'altezza di caduta, sui vincoli relativi ai modi propri di vibrare della punta ecc. Si tiene conto anche delle partico-lari esigenze dell'utilizzatore, come ad esempio la modupartico-larità della macchi-na. Vengono infine specificati anche i requisiti minimi per l'acquisizione dei dati rilevati durante la prova in conformità con la normativa in precedenza
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citata. Si conclude il capitolo con una tabella che sintetizza la specifica tec-nica.
Prendendo spunto dalle macchine esaminate nel terzo capitolo, vengono proposte alcune soluzioni architetturali per i principali dispositivi, mecca-nismi e gruppi funzionali di componenti che costituiscono il drop weight tester. Il quinto capitolo si conclude con un disegno in cui sono rappresen-tati gli ingombri delle parti principali della macchina.
Nel sesto capitolo per ciascuna parte della macchina si studiano in ma-niera più dettagliata, facendo anche semplici calcoli di prima approssimzione, le soluzioni architetturali proposte nel capitolo precedente. Dopo a-ver stabilito alcuni requisiti e le loro priorità per ciascun gruppo funzionale di componenti, aiutandosi con tabelle decisionali, si individua la soluzione più adeguata alla macchina oggetto di questo lavoro. Di questa fase proget-tuale fa parte anche la selezione da catalogo dei componenti meccanici finiti acquistati sul mercato, incluse le apparecchiature elettroniche per la misura delle grandezze di interesse e l'acquisizione dei dati. Il capitolo si chiude con la stima del peso e del costo complessivo della macchina.
Il settimo capitolo è incentrato sull'impattatore, in particolare sul proget-to di un carrello porta punta leggero, di massa inferiore a 2 kg, e sul set di punte per diverse necessità.
Sono state disegnate tre punte basandosi inizialmente su esigenze di in-gombro. È stato condotto poi uno studio sull'architettura e le dimensioni dell'intero impattatore al fine di valutare gli effetti del gioco nel meccani-smo di guida del carrello sulla precisione del punto d'impatto e sull'entità dei momenti flettenti che sollecitano la cella di carico.
Con l'ausilio di un codice scritto in ambiente Matlab® è stata eseguita un'analisi funzionale dell'impattatore per valutare l'influenza delle forze di attrito dovute al meccanismo di guida sui valori di forza misurati dalla cel-la di carico. Il capitolo si conclude con un'analisi modale, eseguita con il co-dice di calcolo MD Nastran®, di una delle punte per l'impattatore leggero per verificare il soddisfacimento del requisito sulla frequenza naturale del modo assiale, come previsto dalla normativa ASTM D 7136/D 7136 M - 07.
