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4.1.2 Prove a fatica
Distinguiamo anche per questo tipo di prove a fatica i pannelli in base ai due differenti tipi di lega di alluminio utilizzata per realizzare il laminato in fibra rappresentante lo skin di fusoliera ed il tipo di adesivo usato per unire allo skin il Windows Frame. Questa distinzione risulta essere necessaria per poter effettuare successivamente un confronto sul loro comportamento sotto i carichi affaticanti propri di questo tipo di prove.
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Pannelli realizzati in Al 2024–T3 e Adhesive AF 163:
I pannelli aventi queste caratteristiche sono stati denominati A3 e A5 (come riportato al paragrafo 2.5.2) . Di seguito sono state riportate in figura 4.23 le foto dei pannelli sopra citati e soggetti a carichi di fatica.
98 80000 90000 100000 110000 120000 130000 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 C ar ico (t ) N° Cilci A3 A5
Figura 4.24: N° cicli di rottura pannelli A3 e A5
A tali numeri di cicli i pannelli sottoposti a carichi affaticanti A3 e A5 presentavano evidenti fratture in corrispondenza del windows frame come si può vedere nelle figure di seguito riportate.
99 Figura 4.26: Ingrandimenti zone fratturate del pannello A3 evidenziate in fig. 4.25
Figura 4.27: Ingrandimenti zone fratturate del pannello A5
Nelle figure 4.26 e 4.27 si possono vedere le fratture generatesi sullo spessore del windows frame in corrispondenza delle curvature opposte alla linea di applicazione del carico, dove risulta trovarsi la maggior concentrazione di tensione di trazione, responsabile della nucleazione e della propagazione della cricca.
E’ inoltre possibile osservare come le fratture interessino in maniera completa la struttura del windows frame e come l’adesivo di color rosso AF 163 rallenti, ma senza arrestare, la frattura che tende così a propagarsi anche nel materiale laminato collegato al windows frame.
Per quanto riguarda il comportamento dell’adesivo AF 163 è stato possibile constatare che per tale tipologia di prova esso non ha subito alcun tipo di cedimento.
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Pannelli realizzati in Al 7475–T761 e Adhesive EA 9657
I pannelli aventi queste caratteristiche sono stati denominati A8, A9 e A10 (come riportato al paragrafo 2.5.2). Di seguito è stata riportata in figura 4.28 la foto di uno dei pannelli sopra citati e soggetti a carichi di fatica.
Figura 4.28: Pannello A9 sottoposto a carichi affaticanti
Figura 4.29: N° cicli rottura pannelli A8, A9, A10
100000 150000 200000 250000 300000 350000 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 C ari co (t ) N° Cicli A8 A9 A10
101 In figura 4.29 è stato riportato un grafico riportante i numeri di cicli ai quali i provini testati si sono rotti per fatica. Le rotture verificatesi su essi hanno interessato anche per questa categoria di pannelli, la struttura del windows frame, come si può vedere da un esempio riportato in figura 4.30.
Figura 4.30: Ingrandimenti zone fratturate dei pannelli A8, A9, A10
Come si può vedere dalle foto riportate in figura 4.30, oltre alle fratture presenti sul windows frame si possono osservare anche delle piccole crepe originatesi in alcuni punti nell’intorno del windows frame in corrispondenza delle zone dove il materiale laminato formante lo skin del pannello cambia il proprio spessore passando da una conformazione 4/3 ad una 3/2, come mostrato in figura 4.12. E’ interessante soffermare l’attenzione anche sul comportamento dell’adesivo, EA 9657, utilizzato in questa categoria di pannelli per l’unione dello skin con il windows frame. Infatti, come per le prove statiche, anche in queste prove a fatica il suddetto adesivo ha presentato cedimenti, se pur parziali, nelle zone dove si è propagata la frattura, dove quindi le tensioni erano maggiori.
102 100000 150000 200000 250000 300000 350000 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 C ari co (t ) N° Cicli A8 A9 A10 A3 A5
A questo punto, dopo aver analizzato i risultati ottenuti dai singoli pannelli con windows frame sottoposti a prove di fatica, suddivisi a seconda del tipo di lega di alluminio utilizzata e del tipo di adesivo impiegato, è stato utile effettuare un confronto globale, riunendo cioè insieme tutti i risultati per analizzare e discutere le differenze di comportamento.
A tal proposito è stato deciso di plottare un grafico comprendente i cicli a rottura di tutti i pannelli sottoposti a prove a fatica in funzione del carico massimo applicato per l’esecuzione delle stesse.
Figura 4.31: Confronto N° cicli di rottura dei pannelli sottoposti a carichi di fatica
Da una prima analisi del grafico riportato in figura 4.31 si può sicuramente concludere che la resistenza a fatica dei pannelli realizzati con lega di alluminio Al 2024–T3 (A3, A5) è di poco minore rispetto a quelli in Al 7475–T761 (A8, A9, A10) indipendentemente dal valore del carico massimo applicato per tali prove. Infatti passando da un carico di 8,6t, per i pannelli A5 e A9, a un carico di 10t, per i pannelli A3 e A8, lo scarto di cicli è pressoché lo stesso. Si fa eccezione poi, osservando ancora il grafico, al pannello A10, il quale ha presentato una durata a fatica nettamente superiore rispetto al pannello A9, simile per materiali di composizione, a parità di carico applicato.
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4.2 Elaborazione dati ottenuti dai pannelli con Stringers
4.2.1 Prove statiche
Distinguiamo innanzitutto le prove statiche in base ai due differenti tipi di lega di alluminio utilizzata per realizzare il laminato in fibra rappresentante lo skin di fusoliera ed il tipo di adesivo usato per unire allo skin gli Stringers di irrigidimento. Questa distinzione risulta essere necessaria per poter effettuare successivamente un confronto sul loro comportamento sotto i carichi statici propri di questo tipo di prove.
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Pannelli realizzati in Al 2024–T3 e Adhesive AF 163
I pannelli aventi queste caratteristiche sono stati denominati B1 e B2 (come riportato al paragrafo 2.5.2). Di seguito sono state riportate in figura 4.32 le foto dei pannelli sopra citati e soggetti a carichi statici.
104 0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 200 250 Fo rz a (K N) Spostamento (mm) F - S
Figura 4.33: Grafico Carico–Spostamento prova di taglio sul pannello B1
In figura 4.32 e 4.33 è possibile osservare, rispettivamente, il pannello imbozzato a causa del carico di trazione applicato sulla sua diagonale al fine di riprodurre uno sforzo di taglio, e il grafico riportante il carico applicato in funzione dello spostamento verticale, e quindi dell’allungamento, subito dal pannello lungo la diagonale di applicazione del carico stesso.
Figura 4.34 : Particolare del pannello B1
Come si può vedere dalla figura 4.34 sotto carichi statici di taglio il pannello ha subito delle deformazioni decisamente accentuate, gli imbozzamenti appunto.
105 0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 200 250 Fo rz a (K N ) Spostamento (mm) F - S
I correnti su esso incollati, avendo una notevole rigidezza nel loro piano longitudinale, non hanno subito grandi deformazioni; soltanto la flangia a contatto con lo skin ha presentato, in alcuni punti, un lieve incurvamento (figura 4.34). Inoltre, commentando anche in questo caso il comportamento dell’adesivo AF 163, utilizzato per unire gli irrigidimenti allo skin, si può dire che esso si è comportato in maniera eccellente in quanto in nessun punto ha dato segni di cedimento.
Figura 4.35: Pannello B2 sottoposto a carichi statici
106 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 50 100 150 200 250 Fo rz a ( KN ) Spostamento (mm) F - S
Anche per questo pannello valgono le stesse considerazioni e conclusioni fatte per il pannello B1. Il loro comportamento è stato infatti pressoché identico; si faccia quindi riferimento alla figura 4.34 per avere un’idea del risultato della prova. Inoltre si possono fare considerazioni analoghe a quelle già fatte per quello che riguarda il comportamento dell’adesivo AF 163.
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Pannelli realizzati in Al 7475–T761 e Adhesive EA 9657
I pannelli aventi queste caratteristiche sono stati denominati B6 e B7 (come riportato al paragrafo 2.5.2) Di seguito sono state riportate in figura 4.37 le foto dei pannelli sopra citati e soggetti a carichi statici.
Figura 4.37: Pannello B2 sottoposto a carichi statici
107 In figura 4.37 e 4.38 è possibile osservare, rispettivamente, il pannello imbozzato a causa del carico di trazione applicato sulla sua diagonale al fine di riprodurre uno sforzo di taglio, e il grafico riportante il carico applicato in funzione dello spostamento verticale, e quindi dell’allungamento, subito dal pannello lungo la diagonale di applicazione del carico stesso.
Figura 4.39 : Particolari del pannello B6
Osservando le foto riportate in figura 4.39 si può concludere che tale tipologia di pannello presenta una elasticità maggiore rispetto a i pannelli con Al 2024–T3, come del resto era stato affermato e constatato al paragrafo precedente, in quanto al termine delle prove statiche in esame lo skin è risultato essere imbozzato in maniera decisamente meno evidente. Nonostante questo, volendo descrivere il comportamento dell’adesivo EA 9657 qui utilizzato, esso ha, in certe zone (figura 4.39), superato la propria tensione massima di peeling, generando così il distacco del corrente di irrigidimento in tali zone. Analizzando ancora il risultato di tale prova statica sul pannello B6, è importante soffermare l’attenzione sul corrente centrale (figura 4.39), sul quale ad un certo valore del carico applicato si è creata una piegatura della flangia superiore, segno della sua instabilizzazione.
108 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 0 50 100 150 200 250 For za (KN ) Spostamento (mm) F - S
Figura 4.40: Pannello B7 sottoposto a carichi statici
109 Figura 4.42: Particolari del pannello B7
Anche per il pannello B7 valgono le stesse considerazioni e conclusioni tratte per il pannello B6. Infatti il loro comportamento sotto carichi statici di taglio è stato il medesimo, come si può vedere dalla figura 4.42. Stesse conclusioni si possono fare per quel che riguarda il comportamento dell’adesivo EA 9657.
A questo punto dopo aver analizzato i risultati ottenuti dai singoli pannelli con stringers di irrigidimento sottoposti a prove statiche, suddivisi a seconda del tipo di lega di alluminio utilizzata e del tipo di adesivo impiegato, è stato utile effettuare un confronto globale, riunendo cioè insieme tutti i risultati per analizzare e discutere le differenze di comportamento a parità di carico applicato.
Per questo motivo è stato deciso di plottare su di un unico grafico gli andamenti dei carichi applicati in funzione degli spostamenti per tutti i pannelli sopra descritti. Il risultato di ciò può essere osservato in figura 4.43 sotto riportata.
110 0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 200 250 Fo rz a (KN ) Spostamento (mm) B1 (Al 2024-T3) B2 (Al 2024-T3) B6 (Al 7475-T761) B7 (Al 7475-T761)
Figura 4.43: Confronto andamenti Carico–Spostamento dei pannelli sottoposti a carichi statici
Osservando il grafico in figura 4.43 è possibile arrivare alle stesse conclusioni, relative al comportamento dei due differenti materiali utilizzati per realizzare il materiale laminato, ottenute durante la valutazione del grafico di figura 4.19, analogo a questo, ma rappresentante il comportamento a carichi statici dei pannelli con windows frame. Infatti anche in questo caso si nota subito una maggiore tensione di snervamento da parte dei pannelli realizzati con Al 7475–T761 e quindi un conseguente comportamento elastico superiore rispetto ai pannelli in Al 2024–T3.
Il comportamento dei diversi tipi di adesivi impiegati è risultato essere pressoché identico a quello rilevato per i pannelli con windows frame. Infatti come si può vedere dagli andamenti riportati nel grafico di figura 4.43 il cedimento dei pannelli in Al 7475–T761, sui quali è stato utilizzato l’adesivo EA 9657, si è verificato sensibilmente prima rispetto a quello verificatosi per i pannelli in Al 2024–T3, sui quali è stato invece utilizzato l’adesivo AF 163.
Anche in questo caso è stato interessante poter confrontare i risultati ottenuti dalle prove statiche effettuate sui pannelli con stringers di irrigidimento, con i risultati ricavati da un prova statica, svolta con le stesse condizioni di carico, su un pannello in materiale laminato in fibra con strati in lega di alluminio 2024–T3 riportante il solo skin senza i correnti di irrigidimento.
111 0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 200 250 Fo rz a ( KN ) Spostamento (mm) B1 (Al 2024-T3) B2 (Al 2024-T3) B6 (Al 7475-T761) B7 (Al 7475-T761) Skin semplice 0 5 10 15 20 0 20 40 60 80 100 120 140 Fo rza (K N ) Spostamento (mm) F - S
In figura 4.44 si è riportata un’immagine di quest’ultimo tipo di pannello ed il grafico carico – spostamento ottenuto dalla prova statica su esso effettuata.
Figura 4.44: Pannello senza irrigidimenti
Per poter quindi effettuare un confronto di tali risultati con quelli ottenuti dai pannelli con stringers è stato necessario sovrapporre il grafico di figura 4.44 a quello di figura 4.43, come riportato di seguito in figura 4.45.
Figura 4.45: Confronto andamenti Carico – Spostamento dei pannelli sottoposti a carichi statici
112 Come si può quindi osservare dalla figura 4.45 sopra riportata l’andamento rappresentante il comportamento dello skin semplice senza irrigidimenti è nettamente inferiore sia agli andamenti dei pannelli in Al 2024–T3, sia a quelli dei pannelli in Al 7475–T761. Infatti è possibile notare un breve tratto lineare e una bassa tensione di snervamento, che portano ad una bassa resistenza a carichi statici di taglio, come quelli applicati in questo tipo di prove, su tale tipologia di pannello.
Tale confronto ci è stato utile quindi per valutare e constatare l’effettiva rigidezza conferita dagli stringers al pannello, aumentandone notevolmente la tensioni di instabilità dalla quale cominciano a formarsi sul pannello gli imbozzamenti, ed inoltre conferiscono al pannello caratteristiche di resistenza notevolmente maggiori.
4.2.2 Prove a fatica
Distinguiamo anche per questo tipo di prove a fatica i pannelli in base ai due differenti tipi di lega di alluminio utilizzata per realizzare il laminato in fibra rappresentante lo skin di fusoliera ed il tipo di adesivo usato per unire allo skin gli stringers di irrigidimento. Questa distinzione risulta essere necessaria per poter effettuare successivamente un confronto sul loro comportamento sotto i carichi affaticanti propri di questo tipo di prove.
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Pannelli realizzati in Al 2024–T3 e Adhesive AF 163
Di questa categoria di pannelli ne avevamo a disposizione soltanto uno che è stato denominato B5 (come riportato al paragrafo 2.5.2) . Di seguito è stata riportata in figura 4.46 la foto del pannello sopra citato soggetto a carichi di fatica.
113 Figura 4.46: Pannello B5 sottoposto a carichi affaticanti
Come riportato al paragrafo 3.2.2 il pannello B5 ha raggiunto un numero di cicli pari a 470700. Verso la fine della prova si è verificata la parziale separazione del primo corrente, a partire da sinistra, nella parte terminale dello stesso. Tale separazione è avvenuta a causa del cedimento dell’adesivo AF 163 utilizzato per il collegamento degli stringers allo skin.
Figura 4.47: Particolare del corrente rastremato
E’ inoltre necessario soffermare l’attenzione sulla forme degli irrigidimenti nella loro parte terminale. Come è possibile osservare in figura 4.47 infatti gli irrigidimenti appartenenti ai pannelli sottoposti a prove di fatica sono stati rastremati alle loro estremità al fine di diminuire il più possibile la concentrazione delle tensioni in tali zone e rendere anche la prova più realistica possibile.
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Pannelli realizzati in Al 7475–T761 e Adhesive EA 9657
I pannelli aventi queste caratteristiche sono stati denominati B8 e B10 (come riportato al paragrafo 2.5.2) . Di seguito è stata riportata in figura 4.48 la foto di uno dei pannelli sopra citati e soggetti a carichi di fatica.
Figura 4.48: Pannello B10 sottoposto a carichi affaticanti
115 400000 500000 600000 700000 800000 900000 1000000 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 C ari co (t ) N° Cicli B5 B8 B10
Volendo anche in questo caso analizzare il comportamento di tale categoria di pannelli sottoposti a carichi di fatica, si può far riferimento alle foto riportate in figura 4.49, dalle quali si può sicuramente constatare e concludere che, come era successo per i pannelli in Al 2024–T3, anche qui si è verificato un cedimento del materiale adesivo EA 9657 che unisce lo skin ai correnti nella zona terminale di quest’ultimi provocando il loro parziale distacco.
Sempre dalla figura 4.49 è possibile osservare un formazione di fessure enucleatesi e propagatesi sullo strato più esterno di alluminio formante il materiale laminato. Queste fessure si sono create in corrispondenza della linea centrale di applicazione del carico lungo la quale si crea una imbozzature prodotta dall’instabilità generata dal carico di taglio applicato al pannello.
A questo punto, dopo aver analizzato i risultati ottenuti dai singoli pannelli con stringers sottoposti a prove di fatica, suddivisi a seconda del tipo di lega di alluminio utilizzata e del tipo di adesivo impiegato, è stato utile effettuare un confronto globale, riunendo cioè insieme tutti i risultati per analizzare e discutere le differenze di comportamento.
A tal proposito è stato deciso di plottare un grafico comprendente i cicli a rottura di tutti i pannelli sottoposti a prove a fatica in funzione del carico massimo applicato per l’esecuzione delle stesse.
116 Volendo a questo punto trarre una conclusione d’insieme sui comportamenti dei differenti pannelli testati con carichi affaticanti, è possibile affermare, come nel caso dei pannelli con windows frame, che la resistenza a fatica dei pannelli irrigiditi in AL 7475–T761 è notevolmente superiore, come si può vedere dal grafico 4.50. Tale risultato è sicuramente dovuto anche alla maggior elasticità della lega di alluminio 7475–T761, fatto, quest’ultimo, facilmente visibile dagli andamenti di carico– spostamento riportati in figura 4.43.
Per quel che riguardano invece gli adesivi utilizzati per i collegamenti stringers–skin è possibile concludere che, per le prove in questione, hanno avuto un comportamento pressoché simile, e cioè nessuno dei due ha presentato cedimenti eccessivamente vistosi o catastrofici ma anzi, entrambi hanno avuto resistenze paragonabili e cedimenti minimi ed identici. Si veda in figura 4.51 un ingrandimento della sezione del collegamento tra skin – stringer nella quale sono indicate le zone dove è stato applicato l’adesivo.
