Aspetti normativi

Aspetti normativi

Il presente capitolo ha come scopo quello di esporre gli aspetti normativi relativi alle prove di impatto che verranno esaminate nel capitolo 3, pertanto non saranno trattati tutti quegli aspetti della normativa che non riguardano in modo diretto il presente lavoro di tesi.

La normativa a cui si fa riferimento è la ASTM D7136/D7136M (rev.2012) il cui nome è appunto "Standard test method for measuring the damage resistance of a fiber-reinforced

polymer matrix composite to a drop weight impact event", [18]. 2.2 - Scopo

Il metodo di test presentato ha lo scopo di determinare la resistenza al danneggiamento di laminati multidirezionali a matrice polimerica sottoposti ad un impatto tipo drop weight. Il materiale da esaminare deve essere composto da fibre continue e deve presentare delle caratteristiche di spessore e sequenza di impilamento che verranno esposti nel paragrafo dedicato alla descrizione dei provini. La forma del provino deve essere rettangolare e durante la prova questo deve essere impattato in direzione perpendicolare al suo piano da un impattatore di tipo emisferico. Prima di eseguire il test va stabilito il valore dell'energia potenziale della massa impattante ottenuta come prodotto tra peso del proiettile e altezza di lancio. La resistenza al danneggiamento verrà poi quantificata in termini di dimensioni e tipo di danneggiamento. Il metodo presentato può essere utilizzato anche per infliggere un certo danneggiamento ad un provino per poi sottoporlo a prove di damage tolerance, come ad esempio quella di compressione post-impatto. Sempre nell'ottica delle prove di damage tolerance, il danneggiamento può essere provocato anche mediante indentazione quasi-statica. Si deve tener conto che le proprietà del materiale risultanti da questo tipo di test sono influenzate da molti fattori, tra cui anche le dimensioni del provino, la geometria dell'impattatore, le condizioni al contorno, ecc..., tutti fattori che impediscono di riscalare i risultati ottenuti ad altre configurazioni e che sono comunque caratterizzate anche da precise condizioni ambientali.

2.3 - Terminologia

Vengono di seguito introdotte delle grandezze utili nella caratterizzazione dell'impatto. • Indentazione, ha le dimensioni di una lunghezza ed è definita come la profondità

della depressione residua lasciata dall'impattatore dopo l'impatto. L'indentazione deve essere definita come la massima distanza in direzione normale alla superficie del provino dal punto più basso dell'impronta al piano della superficie impattata, ma non interessata dall'indentazione;

• Sistema di coordinate principale, assumendo di utilizzare un sistema di riferimento

cartesiano si distinguono 3 casi: se il materiale in prova è isotropo tutti i possibili sistemi di riferimento saranno principali; se il materiale è anisotropo è impossibile definire un sistema principale; infine per materiali che presentano simmetrie si assume come sistema principale quello in cui un piano del riferimento coincide con il piano rispetto al quale si ha simmetria. Questa distinzione deriva dal fatto di voler identificare con la direzione "x" la direzione di massima resistenza e con "z" quella di minima resistenza. Per un laminato la direzione "z" sarà generalmente quella in direzione perpendicolare al piano del provino;

• Forza di contatto registrata, è la forza esercitata dall'impattatore sul provino

durante l'impatto ed è registrata tramite un indicatore di forza;

• Sistema di coordinate di riferimento, è il sistema di coordinate usato per definire

l'orientazione delle plies, si è soliti scegliere la direzione "x" del sistema di coordinate principali come direzione di riferimento;

• Punta del proiettile, si intende la parte dell'impattatore che entra per prima in

contatto con il provino durante l'impatto.

Altri simboli e definizioni saranno introdotte successivamente, se necessario.

2.4 – Sommario della prova

L'impatto deve essere indirizzato su un pannello in laminato bilanciato e simmetrico. Il danneggiamento è inferto attraverso la caduta di un impattatore la cui punta ha forma emisferica. Non possono essere effettuate comparazioni tra dati ottenuti mediante prove caratterizzate da diverse condizioni e/o configurazioni di test. Preferibilmente, si dovrebbe fare in modo che il danneggiamento che segue l'impatto, venga a trovarsi al centro del pannello, sufficientemente lontano dai bordi cosicché le tensioni dovute ai vincoli non vadano ad interferire con le tensioni responsabili del danneggiamento.

2.5 – Importanza ed uso

perpendicolare al piano del laminato è uno dei maggiori fattori da tenere in considerazione durante il disegno di una struttura in composito. La conoscenza della resistenza al danneggiamento, permette l'esecuzione di una scelta opportuna del materiale da usare in base alle applicazioni. Un drop weight test permette di:

• stabilire quantitativamente l'effetto della sequenza d'impilamento, del trattamento superficiale delle fibre, della variazione della frazione di volume occupato dalle fibre e delle variabili ambientali sulla resistenza al danneggiamento da impatto del particolare laminato;

• comparare quantitativamente i parametri che caratterizzano la resistenza al danneggiamento di materiali realizzati con costituenti diversi. Tra questi parametri vi sono: l'andamento della curva forza-tempo, l'indentazione, la dimensione del danno e la sua posizione attraverso lo spessore, la massima forza di contatto (Fmax), il valore nella curva forza-tempo in cui si manifesta la prima discontinuità (F1), il valore di energia assorbita fino all'istante in cui la curva forza-tempo presenta la prima discontinuità (E1) ed infine l'energia assorbita fino all'istante in cui la forza raggiunge il valore Fmax (Emax);

• infliggere un danno al provino che sarà poi sottoposto a prove di damage tolerance. Le proprietà ottenute usando questo tipo di test possono essere utilizzate come valori orientativi per una stima della resistenza al danneggiamento di strutture realizzate con materiali, spessore e sequenze d'impilamento simili a quello testato. In ogni modo, come già detto, la resistenza al danneggiamento dipende da molte variabili e perciò i valori di parametri legati a energia e forza potrebbero differire molto passando da un materiale ad un altro. Ad esempio, le proprietà ottenute da questo tipo di prova potrebbero riflettere bene il comportamento di uno skin non irrigidito. Analogamente, le proprietà del provino potrebbero essere simili a quelle di un pannello di uguale larghezza e lunghezza, invece che a quelle di un pannello con dimensioni molto più elevate di quello in prova e che tende a dissipare la maggior parte dell'energia di impatto in energia di deformazione elastica. La forma della punta dell'impattatore influenza il tipo di danneggiamento; forme alternative a quella emisferica possono essere usate per prove dove sia importante la resistenza alla penetrazione o ad altri tipi di danneggiamento visibili.

In genere il test è caratterizzato da un valore costante di energia normalizzato con lo spessore del provino. Alcuni test di durability, tuttavia richiedono che sul provino sia presente una certa indentazione o che contenga un'area danneggiata di una certa dimensione. In questo caso bisognerebbe testare un certo numero di provini lanciando il proiettile da altezze diverse e facendo, di conseguenza, variare il valore di energia di

impatto. A questo punto può quindi essere sviluppata una relazione tra l'energia di impatto e l'estensione del danneggiamento.

2.6 - Inteferenze

Dal momento che la risposta dei laminati all'impatto dipende da svariati fattori, come già affermato non è possibile confrontare i risultati di prove effettuate in condizioni diverse. Pertanto tutte le deviazioni dal test standard devono essere riportate nei risultati.

La difficoltà nella fabbricazione del materiale, la scarsità nei controlli di qualità, il danneggiamento derivante dai processi di fabbricazione sono tutte ben note cause di scatter nei dati relativi a prove di laboratorio. Solo per quanto riguarda la preparazione del provino, lo scatter può derivare dalla non costanza dello spessore, dalla curvatura in direzione perpendicolare al piano e dalla rugosità superficiale.

Bisogna tener conto di come il comportamento del provino impattato dipenda sia da grandezze geometriche del provino stesso (dimensioni nel piano, spessore, sequenza d'impilamento, superficie), sia dalla posizione in cui avviene l'impatto. I risultati possono essere inoltre condizionati dalla non perpendicolarità dell'impatto e dal grado di ortotropia del laminato. Anche la scelta del materiale, della posizione, della rigidezza e della dimensione dei supporti va ad influenzare il comportamento del provino. Altri fattori che concorrono nella risposta del pannello in prova sono legati a materiale e forma della superficie su cui i vincoli sono montati e un ruolo importante è rivestito anche dalla rigidezza dei bloccaggi (la parte del vincolo a diretto contatto col provino).

I risultati possono essere condizionati dagli stessi dispositivi utilizzati per l'esecuzione della prova: un esempio può essere l'attrito tra le guide del proiettile e il proiettile stesso, oltre che alle già citate forma e dimensione della punta del proiettile.

Considerando adesso una tipica curva forza-tempo, si notano oscillazioni dovute essenzialmente a due fattori: il primo è l'oscillazione dell'impattatore alla sua frequenza naturale, spesso definito "impactor ringing". Tale fenomeno diventa più evidente se i vari componenti dell'impattatore non sono rigidamente collegati. La seconda fonte di oscillazioni è la vibrazione flessionale del provino impattato, che in genere è caratterizzata da frequenza più basse se paragonate a quella di oscillazione del proiettile.

Con riferimento alle figure 2.6 e 2.7 è opportuno osservare che le alte frequenze di risonanza del proiettile non rappresentano in genere una reale trasmissione di forze tra provino e impattatore, mentre le oscillazioni prodotte dal moto del provino sono corrispondenti a reali stati di stress e pertanto non devono essere né filtrate né attenuate. Entrambe le forme di oscillazione vengono eccitate durante il primo contatto e durante la

fase di formazione del danno.

Ulteriori interferenze possono essere causate dalla variazione di energia di impatto, velocità di impatto e altezza di lancio, ad esempio a causa di errate misurazioni.

Di interferenze si può parlare anche considerando le fasi post-impatto, ad esempio nella determinazione della dimensione del danno bisogna tener conto di tutte le variabili che influiscono sulla tecnica di controllo non distruttivo (NDI) utilizzata.

Si tenga inoltre conto che l'indentazione potrebbe "rilassarsi" con il passare del tempo in misura più o meno grande in dipendenza dalle condizioni ambientali.

Per terminare questo paragrafo si precisa che F1 ed E1 non rappresentano altro che il valore di forza e di energia in corrispondenza dei quali si ha una prima sostanziale riduzione delle caratteristiche di rigidezza del provino, mentre non sono indicatori di ciò che fisicamente è l'inizio del danneggiamento.

Se invece che su laminati, si vanno ad eseguire test su tessuti 3D (ovvero con fibre tessute anche in direzione dello spessore), si deve tener conto che le forme di danneggiamento e i meccanismi che li determinano possono differire sostanzialmente da quelli di un laminato.

2.7 – Apparato di prova

Le misurazioni della lunghezza, della larghezza e dello spessore devono essere eseguite tramite micrometri; sulle superfici irregolari come il fondo del provino andrebbe usata un'interfaccia sferica di diametro da 4 a 6 mm, mentre per la misura dei bordi, o comunque di superfici molto lisce, andrebbe usata un'interfaccia liscia e piatta.

Per la misurazione del danneggiamento deve essere utilizzato un calibro di opportuna precisione. Le precisioni degli strumenti devono essere tali da rilevare variazioni del 1% nella larghezza e nello spessore, il che per provini di dimensioni tipiche si traduce nell'avere uno strumento con precisioni di ±0.0025 mm per la misura dello spessore e di ±0.025 mm per la misura di lunghezza, larghezza e dimensione del danneggiamento. La struttura di fissaggio (vedi Fig. 2.1) deve essere costituita da una piastra spessa almeno 20 mm e costruita in acciaio o alluminio. L'apertura nella piastra deve essere di 75±1 mm per 125±1 mm e la superficie della piastra, nella zona in cui viene a contatto col provino, deve avere una rugosità minore di 0.1 mm. Le guide dei perni di fissaggio devono essere montate in modo che il provino sia centrato sull'apertura nella piastra. Per fare in modo che il provino non si muova durante l'impatto devono essere usati quattro incastri. Questi incastri devono poter sviluppare una forza di tenuta minima di 1100 N; le punte dei dispositivi di fissaggio devono essere costituiti di gomma al neoprene con una durezza di 70-80 Shore A.

Il supporto del fissaggio deve essere allineato su una base rigida mediante bulloni o altro tipo di bloccaggio (vedi Fig.2.2).

Figura 2.1 - Struttura di fissaggio (tratta da [18])

Nelle figure 2.3 e 2.4 è riportato un dispositivo di test; questo deve includere almeno: una base rigida, una massa cadente, un meccanismo guida ed un dispositivo anti-rimbalzo. Quest'ultimo è tipicamente di tipo inerziale e viene attivato dopo il passaggio della massa cadente relativo al primo impatto; infatti al secondo passaggio in direzione del provino, la massa viene fermata. Il dispositivo anti-rimbalzo non deve interferire con il moto del proiettile finchè questo al termine del primo impatto non sia più a contatto con il provino. Tuttavia se un dispositivo di questo tipo non è disponibile, come sistema anti-rimbalzo può essere predisposto un pezzo di materiale rigido (legno, acciaio o altro) e impedire il rimbalzo facendolo scivolare fino ad interporlo tra provino e proiettile dopo il primo impatto.

Altri sistemi che potrebbero far parte del dispositivo di prova sono i meccanismi di lancio, di recupero, per la misurazione della velocità e per la misurazione della forza. Questi ultimi due non sono obbligatori, ma possono servire per avere informazioni aggiuntive riguardo l'impatto.

Il proiettile impattatore deve avere una massa di 5.5±0.25 kg e deve avere una parte impattante liscia, emisferica con diametro di 16±0.1 mm e una durezza di 60-62 HRC. Possono essere usati anche altri tipi di impattatore con lo scopo di studiare le relazioni tra la geometria del danno visibile (come la profondità o il diametro dell'indentazione) e il danneggiamento interno. Se viene usato un impattatore diverso, devono essere indicati la sua massa, la sua geometria e la forma della punta.

Se non è possibile raggiungere il valore voluto di energia lanciando il proiettile da altezze di almeno 300 mm, deve essere usato un impattatore di massa 2±0.25 kg.

Il meccanismo di guida è in genere composto da un singolo tubo cilindrico all'interno del quale passa il proiettile, anch'esso di forma cilindrica. In alternativa, la guida può essere composta da due colonne e il proiettile può essere montato al centro tra le due. L'altezza della guida deve essere tale da permettere di poter raggiungere il livello di energia desiderato. Nel caso di guida con tubo cilindrico, il gioco tra l'interno della guida e il cilindro esterno facente parte del corpo del proiettile, non deve eccedere il mezzo millimetro. Devono essere appuntati i dettagli sul meccanismo di guida, inoltre bisogna fare in modo che sia trascurabile l'attrito causato dal contatto proiettile-guida e, qualora

questo non fosse possibile, si deve stabilire l'energia di impatto mediante misurazione della velocità di impatto, che a questo punto diventa obbligatoria (vedi Eq.2.4).

Se viene utilizzato un indicatore di forza, questo deve essere capace di indicare correttamente la forza che agisce sul provino. Un dispositivo di questo tipo non dovrebbe essere influenzato da effetti inerziali alla velocità di impatto prevista e deve essere capace di indicare la forza con una precisione dell'1%. L'indicatore di forza deve essere montato in modo che almeno il 95% della massa del proiettile sia posizionata sopra di esso; se così non fosse allora l'errore nella misurazione della forza aumenterebbe al diminuire della massa che si trova sulla cella di carico.

Il dispositivo per il test potrebbe essere dotato di un dispositivo per la misurazione della velocità posizionato in modo da misurare la velocità del proiettile appena prima dell'impatto. Spesso questi sistemi sono costituiti da un doppio schermo catarifrangente che va ad ostruire il fascio di luce tra un fotodiodo emettitore e un ricevitore. I due schermi sono in genere distanziati tra loro da 3 a 10 mm e tutto il sistema di misurazione deve permettere che la misurazione venga completata tra i 3 e i 6 mm in direzione verticale sopra la superficie del provino. La velocità è quindi calcolata usando la misura del tempo trascorso tra quando il segnale del fotodiodo è stato ostruito dalla prima e poi dalla seconda schermatura. La misura della velocità deve avere una precisione non minore di 5 mm/s. Se vengono testati provini condizionati le cui condizioni non corrispondono a quelle dell'ambiente esterno, deve essere adottato un sistema di controllo e mantenimento della temperatura e dell'umidità relativa con precisione di 3°C per quanto riguarda la temperatura e del 3% per quanto riguarda l'umidità. La camera condizionata deve essere continuamente monitorata da un sistema automatico o manualmente ad intervalli regolari. Non è richiesto l'uso di particolari sistemi d'acquisizione in caso di semplici drop-test, mentre invece è richiesto qualora si vogliano registrare dati riguardanti la velocità o la forza. In tal caso, la frequenza naturale dell'insieme trasduttore-impattatore deve essere minore di 6 kHz, il convertitore analogico-digitale deve essere a 8 bit o maggiore, la minima frequenza di campionamento deve essere 100 kHz e la capacità di immagazzinamento dati dovrebbe essere di almeno 1000 punti o maggiore.

La misura della profondità di indentazione può essere eseguita usando misuratori di profondità di vario tipo o mediante trasduttori di spostamento opportunamente calibrati. La punta del misuratore deve avere una forma sferica con raggio di curvatura di 8 mm e la precisione dello strumento dovrebbe essere di 0,025 mm.

Per quanto riguarda la misurazione della massa del proiettile, questa deve essere determinata usando uno strumento con una precisione tale da misurare la massa del proiettile con una incertezza massima dello 0.5%.

2.8 - Provino

Per permettere una analisi statistica dei risultati, i provini devono essere il più possibile simili, per questo ne è riportata una minuziosa descrizione. Per prima cosa si fa riferimento alla sequenza di impilamento: lo spessore del provino deve essere tra 4 e 6 mm, ma l'obiettivo è quello di raggiungere uno spessore di 5 mm con il laminato che deve essere realizzato come segue:

• nastri unidirezionali: il laminato è costruito sovrapponendo un certo numero di

plies fino a raggiungere uno spessore il più possibile prossimo a 5 mm dopo il curing. La sequenza d'impilamento deve essere [45/0/-45/90]NS dove con "N" si indica l'intero numero di strati. Qualora lo spessore più vicino a 5 mm fosse minore di 4 mm, il valore di N dovrebbe essere aumentato a N+1. Si considera come direzione di riferimento a 0°, quella orientata nella direzione della dimensione maggiore;

• tessuti: anche in questo caso vanno sovrapposti vari strati di tessuto fino a

raggiungere lo spessore più prossimo a 5 mm con una sequenza d'impilamento [(+45/-45)/(0/90)]NS dove con "N" si indica l'intero numero di strati. Qualora lo spessore più vicino a 5 mm fosse minore di 4 mm, il valore di N dovrebbe essere aumentato a N+1. La designazione tra parentesi tonde indica l'orientazione delle fibre del singolo strato di tessuto;

• impilamento alternato: se vengono testati laminati con entrambe le sequenze

d'impilamento sopra definite o con altre sequenze d'impilamento, deve essere annotata la sequenza utilizzata. Il test drop weight può essere usato per valutare la resistenza all'impatto anche di questo tipo di laminati.

Per quanto riguarda la fabbricazione, bisogna osservare che l'allineamento delle fibre è un fattore critico. Un errato allineamento delle fibre può interferire con la misura delle proprietà del pannello e aumentare la dispersione dei dati.

Il provino viene ricavato tagliando in più parti un pannello più grande: bisogna fare in modo che la sezione trasversale dei provini sia costante e che lo sia anche lo spessore; per quest'ultimo è permessa una rastremazione in direzione della lunghezza e della larghezza di 0.08 al massimo. Ulteriori precauzioni devono essere prese durante il taglio dei provini, bisogna evitare delaminazioni, intagli, scheggiature o eccessive rugosità dei bordi legate all'errato sistema di taglio. I metodi consigliati comprendono il waterjet o l'uso di lame diamantate. In figura 2.5 è riportato un esempio di provino con le tolleranze da rispettare; si nota in particolare l'esigenza di avere bordi lisci e paralleli. Sul report finale bisognerà

anche includere la descrizione del sistema di taglio utilizzato. Durante la prova è anche obbligatorio siglare i provini in modo da non confonderli, tracciando un segno sul retro del provino facendo in modo che ciò non interferisca con la prova.

Prima di introdurre il paragrafo che riguarda la procedura con la quale viene effettuata la prova, nella normativa è specificato che tutte le precisioni degli strumenti di misura utilizzati devono essere certificate. Inoltre, prima di iniziare la prova bisogna caratterizzare le condizioni di pre-test, ovvero verificare i livelli di umidità assorbita dal provino. Queste misure non sono tuttavia obbligatorie e, in caso il richiedente del test non le ritenga necessarie, il test può essere effettuato senza rilevare il contenuto di umidità e scrivendo sul report che il provino non è condizionato e che ha assorbito una quantità sconosciuta di umidità. Se invece è richiesta la misura di questa quantità, sul report finale deve essere riportato il valore misurato.

2.9 - Procedura

Prima di iniziare il test si deve prendere nota di alcune grandezze, alcune delle quali già introdotte, come: le condizioni ambientali, il diametro della punta del proiettile e la sua massa, l'energia nominale d'impatto e l'altezza di lancio del proiettile, il valore della velocità teorica di caduta e i parametri di posizionamento dei sensori (solo se richiesta la misurazione della velocità) e, se disponibili, anche dati riguardanti la densità del provino e il volume di fibre contenuto. Ovviamente se la prova venisse effettuata in modo diverso da quanto indicato nella normativa, bisognerebbe specificare le modifiche apportate.

Dopo il taglio dei provini dal pannello principale, ma prima del condizionamento (sempre se previsto), si devono eseguire una serie di controlli non distruttivi con lo scopo di rilevare difetti già presenti nel provino ancora prima dell'esecuzione della prova. Esistono una varietà di controlli effettuabili per rilevare difetti su entrambe le superfici del provino ed al suo interno: ad esempio un controllo con liquidi penetranti può essere utile ad individuare difetti superficiali, mentre per rilevare i difetti interni come delaminazioni o fessure servono tecniche più sofisticate. Queste tecniche comprendono il controllo con ultrasuoni, quello radiografico, termografico, con emissioni acustiche, tramite analisi modale (come un tap testing) o un controllo con correnti parassite. Naturalmente, per la scelta del controllo più appropriato in base al tipo di materiale, esistono delle guide come i MIL-HDBK.

Fino al momento in cui verrà eseguito il test, i provini devono essere conservati in ambiente condizionato, tranne nel caso in cui le condizioni ambientali del laboratorio e quelle di condizionamento del provino siano le medesime. Prima di effettuare il test, ma comunque dopo tutti i vari controlli, vanno prese le misure di lunghezza e larghezza del provino in due zone vicino al punto dove avverrà l'impatto. Lo spessore del provino deve essere misurato in quattro punti vicini al punto di impatto e quello che va inserito nel report finale è solo la media delle misurazioni effettuate. Tutte le misurazioni devono avere una precisione pari all 1% della dimensione misurata.

Si passa quindi alla preparazione dell'impattatore, si attacca la punta emisferica alla massa del proiettile, si porta il proiettile all'altezza di lancio e si inizializza l'acquisizione dei dati di velocità e forza (se richiesti). Bisogna fare in modo che tutti i componenti siano rigidamente collegati tra loro per minimizzare gli effetti della possibile risonanza durante l'impatto. A questo punto si va a posizionare il provino sul supporto assicurandosi che sia centrato rispetto all'apertura sul supporto stesso e che quella che andrà a contatto con il proiettile sarà la superficie meglio lavorata. Si fissa il provino tramite i quattro bloccaggi in gomma in modo da evitare rimbalzi del provino durante l'impatto. Questi elementi di

fissaggio devono stare a 25 mm dal bordo del provino. Il calcolo dell'energia di impatto avviene tramite l'Eq. 2.1:

E=C_Eh _{Eq. 2.1}

dove:

• E = energia potenziale dell'impattatore prima del lancio [J];

• CE = rapporto specifico tra energia e spessore, il cui valore si assume 6.7 J/mm; • h = spessore nominale del provino [mm].

Si calcola poi l'altezza di lancio necessaria a produrre un impatto con energia pari ad E tramite l'Eq 2.2:

H = E

m_d g Eq. 2.2

dove:

• H = altezza di lancio del proiettile [m]; • md = massa dell'impattatore [kg];

• g = accelerazione di gravità, assunta pari a 9.81 m/s2

Si ricorda che dai calcoli deve risultare un'altezza minima di lancio di 300 mm; se così non fosse è permesso usare un proiettile con massa ridotta.

Se durante l'impatto viene registrato l'andamento della forza nel tempo, si raccomanda di acquisire dati il più frequentemente possibile e comunque con una frequenza non minore di 100 kHz in modo da avere almeno 100 data points. Alcuni esempi di grafici forza-tempo sono riportati nelle figure 2.6 e 2.7: il primo valore della forza diverso da zero sta ad indicare l'inizio del contatto tra provino e proiettile; ad ogni brusca riduzione della forza corrisponde un danneggiamento che si manifesta sotto forma di riduzione di rigidezza del provino nella regione di contatto. Sempre in figura, si notano dei rapidi incrementi e diminuzioni nel valore di forza; questi sono dovuti alla risonanza dell'impattatore, del provino o della stessa cella di carico durante l'impatto.

La risonanza rende difficile la determinazione della forza F1 e del valore di energia E1. Per le materie plastiche le curve di forza, durante la fase di elaborazione dei dati, vengono

"smussate", ma nei test con materiali compositi questi rapidi picchi spesso rappresentano la

reale forza applicata e perciò non possono essere smussati. Per una facile interpretazione dei dati, le curve registrate possono essere smussate, ma nel report finale dovranno essere allegati sia il grafico originale che quello rielaborato, il tutto accompagnato da una

Figura 2.7 - Curva forza-Tempo con risonanza Figura 2.6 - Esempio di curva Forza-Tempo

descrizione dell'algoritmo utilizzato. Dal grafico forza-tempo vengono determinati i valori di F1, Fmax, le relative quantità di energia assorbita E1 ed Emax ed infine l'intervallo di durata del contatto tT. Dopo l'impatto si esegue la misurazione dell'indentazione; anche in questo caso la misurazione (già introdotta nei precedenti paragrafi) deve essere effettuata quattro volte, ogni volta rispetto alla superficie non danneggiata del provino, spostandosi ad ogni misura in un punto spaziato dal precedente di un angolo di 90° ed ad una distanza di almeno 25 mm dal punto di impatto per fare in modo che l'impronta non interferisca con la misurazione. Naturalmente, per ogni strumento utilizzato in questa misurazione, vi sono delle specifiche direttive da seguire. Si deve evidenziare che la misura va fatta subito dopo la prova per evitare il ritorno elastico del materiale che costituisce l'impronta; se invece quello che interessa è proprio il ritorno elastico dell'impronta, la misura va effettuata dopo 7 giorni dall'impatto.

Dopo l'impatto va rieseguito il controllo non distruttivo per valutare i danni che l'impatto ha causato nel provino. Per questo tipo di controllo, va osservato quanto detto a proposito del controllo pre-test. La misurazione della geometria del danno va eseguita con le

strumentazioni definite nel paragrafo 2.7 e seguendo le indicazioni riportate in figura 2.8 per determinare otto punti che servono a caratterizzare il danno; si determinano quindi: larghezza, lunghezza e massimo diametro del danno. Se il provino non è del tipo dettato dallo standard sono richieste altre misure caratteristiche per la definizione del danno; tutte le misurazioni saranno effettuate con la massima precisione offerta dal sistema di NDI utilizzato. Dal momento che esistono molte tipologie di danneggiamento (vedi Fig.2.9) bisogna indicare che tipologia di danno si è riscontrato e su quale superficie si è verificato.

2.10 – Convalida della prova

Qualora un numero significativo di provini esibisse un danneggiamento in una zona diversa da quella desiderata (ossia nel punto di impatto), bisogna riesaminare le condizioni di prova, ovvero l'allineamento del provino con i supporti di fissaggio, l'allineamento tra guida dell'impattatore e provino, la variazione di spessore del provino e la distanza tra il provino ed i vincoli.

2.11 - Calcoli

In caso si fosse in grado di determinare la velocità dell'impattatore, si può calcolare la velocità di impatto tramite l'Eq. 2.3. Questo calcolo può essere effettuato automaticamente da molti dispositivi per la generazione di impatti, ma in alternativa può essere eseguito manualmente a partire dagli intervalli temporali registrati.

v_i= W12 t2−t1 +g (t_i−t1+t2 2 ) Eq. 2.3 con: • vi = velocità di impatto [m/s];

• W12 = distanza tra le schermature del fascio luminoso [m];

• t1 = istante al quale il fascio viene interrotto dalla prima schermatura [s]; • t2 = istante al quale il fascio viene interrotto dalla seconda schermatura [s]; • ti = istante in cui inizia il contatto, ottenibile dalla curva forza-tempo [s].

Sempre se si è in grado di misurare la velocità, è possibile calcolare l'energia di impatto mediante l'Eq. 2.4. Anche questo calcolo può essere effettuato automaticamente o manualmente.

E_i=m vi 2

2 Eq. 2.4

dove:

• Ei = energia di impatto misurata [J]; • m = massa dell'impattatore [kg].

Si osservi che l'energia calcolata con l'Eq. 2.4 potrebbe differire da quella calcolata con l'Eq. 2.1 a causa degli attriti che si hanno durante la discesa del proiettile.

Va calcolato il valore medio, la deviazione standard e il coefficiente di deviazione della grandezza d (profondità dell'impronta) in ogni serie di test. Se il dispositivo usato per la generazione degli impatti è attrezzato per la rilevazione della forza di contatto e della velocità dell'impattatore, si devono effettuare gli stessi calcoli fatti per d anche per la velocità di impatto, l'energia di impatto, la massima forza di contatto (Fmax), il valore nella curva forza-tempo in cui si manifesta la prima discontinuità (F1), il valore di energia assorbita fino all'istante in cui la curva forza-tempo presenta la prima discontinuità (E1),

l'energia assorbita fino all'istante in cui la forza raggiunge il valore Fmax (Emax) ed infine per tT. ̄x=(

∑

√

∑

• ̄x = valore medio del campione;

• Sn-1= deviazione standard del campione; • CV = coefficiente di variazione del campione; • n = numero di provini;

• xi = grandezza misurata o derivata.

Se si è in grado di misurare la forza di contatto, si può generare un grafico velocità nominale-tempo usando la relazione riportata in Eq. 2.8 e integrando i dati relativi al tracciato forza-tempo. Si pone che i valori di velocità positivi siano riferiti ad una velocità verticale discendente, mentre come metodi di integrazione sono accettati quello dei trapezi, quello di Newton-Cotes a due o tre punti e la regola di Simpson. Il passo di integrazione deve essere pari all'inverso della frequenza di campionamento.

v (t )=v_i+g t−

∫

• v = velocità dell'impattatore al tempo t [m/s];

• t = tempo; a t=0 corrisponde l'istante in cui entrano in contatto impattatore e provino [s];

Un secondo grafico tracciabile se si è in possesso della curva forza-tempo è il grafico spostamento-tempo, ricavabile tramite l'Eq. 2.9 e l'integrazione numerica dei dati della curva forza-tempo. Si assume che lo spostamento sia positivo se verso il basso, ossia concorde con la direzione di discesa del proiettile.

δ(t)=δ_i+v_it+g t 2 2−

∫

∫

• δ = spostamento dell'impattatore al tempo t [m];

• δi = posizione dell'impattatore a t=0 [m] (ovvero all'istante in cui avviene il primo contatto tra provino e impattatore).

L'ultimo grafico che può essere ricavato è quello dell'energia assorbita in funzione del tempo, dove l'energia assorbita (Eass) è calcolata come segue:

E_ass(t)=m[vi 2 −v (t)2 ] 2 +m g δ(t) Eq. 2.10

2.12 – Stesura del report

Nel report finale della prova devono essere specificate le seguenti indicazioni; tutto ciò che è indicato è sotto la responsabilità dell'operatore:

1) numero, data e numero di revisione della normativa di riferimento; 2) nome dell'operatore;

3) variazioni dalla prova standard, anomalie e problemi riscontrati durante il test; 4) identificazione dei costituenti e informazioni sul materiale (tipo di fibre e matrice,

produttore, metodo di produzione,ecc..); 5) data di fabbricazione del laminato; 6) sequenza d'impilamento;

7) densità, volume di fibre, livello di impurità e come sono stati ottenuti (solo se richiesto);

8) metodo di preparazione dei campioni (taglio, geometria, marchiatura, ecc..); 9) date e metodi di calibrazione di tutti gli strumenti di misura utilizzati;

10) tipo e configurazione dell'impattatore, metodo e frequenza di campionamento per l'acquisizione dei dati;

11) tipologia di apparato per la misura di forza e velocità (solo se utilizzati);

12) misure di lunghezza, larghezza e spessore prima e dopo il danneggiamento di ogni provino;

13) peso del provino e dati sul sitema di pesatura e sulla sua precisione; 14) parametri di condizionamento,

15) livello di umidità relativa e temperatura del laboratorio;

16) parametri di condizionamento della camera climatica usata durante la prova (se usata);

17) numero di provini testati;

18) diametro della punta semisferica dell'impattatore; 19) massa totale dell'impattatore;

20) energia nominale di impatto ed altezza di lancio;

21) risultati dei NDI effettuati prima e dopo l'impatto specificando il metodo utilizzato, i parametri di ispezione e il nome dell'operatore che li ha effettuati;

22) geometria del danno: posizione degli 8 punti specificati nel paragrafo 2.9, larghezza, lunghezza e massimo diametro del danno, area del danno (se calcolata) e posizione nella direzione dello spessore;

23) tipologia di danno osservata in ogni provino;

24) profondità dell'indentazione di ogni provino in termini di valore medio, deviazione standard e coefficiente di variazione per l'intera popolazione;

25) se misurata, annotare il ritorno elastico dell'indentazione e il periodo intercorso dalla prova e le condizioni ambientali alle quali il provino è stato esposto;

26) valori individuali di F1, Fmax, E1 ed Emax se misurati, in termini di valore medio, deviazione standard e coefficiente di variazione per l'intera popolazione;

27) grafico forza-tempo di ogni provino;

28) velocità di impatto e energia di impatto istante per istante per ogni provino in termini di valore medio, deviazione standard e coefficiente di variazione per l'intera popolazione;

29) durata del contatto per ogni provino in termini di valore medio, deviazione standard e coefficiente di variazione per l'intera popolazione;

30) velocità, spostamento dell'impattatore ed energia assorbita tutti in funzione del tempo per ogni provino, specificando il metodo di integrazione numerica utilizzato.