2.1 Leghe in Alluminio utilizzate C 2 – A S

(1)

30

C

APITOLO

2 –

A

TTIVITÀ

S

PERIMENTALE

Nel seguente capitolo verrà descritta quella che è stata l’attività sperimentale svolta, partendo da una descrizione dettagliata dei vari provini, illustrandone la composizione a livello di materiali utilizzati e la loro conformazione ed ingombri, passando poi per i diversi tipi di prove effettuate, caratterizzate ognuna da intensità di carico e modalità di attuazione dello stesso, differenti, fino ad arrivare ad una descrizione dei macchinari e degli afferraggi utilizzati per eseguire i test richiesti. Tutto ciò risulterà essere di fondamentale importanza per analizzare al meglio i risultati ottenuti dalle diverse prove effettuate.

2.1 Leghe in Alluminio utilizzate

Per la realizzazione dei pannelli e dei provini oggetto di studio in questo lavoro sono stati utilizzati diversi tipi di leghe di alluminio, a seconda delle caratteristiche e delle proprietà alle quali essi dovevano soddisfare. In questo paragrafo è stata effettuata una breve panoramica sulle leghe di alluminio disponibili attualmente sul mercato, focalizzando l’attenzione su quelle utilizzate per la fabbricazione dei nostri provini.

L’alluminio è un metallo leggero, resistente a corrosione, le cui proprietà meccaniche possono essere migliorate attraverso l’aggiunta di elementi alliganti, trattamenti termici e incrudimento a freddo [7].

La designazione delle leghe di alluminio redatta dalla Aluminium Association (A.A.) per le leghe da deformazione plastica, leggermente diversa da quella per le leghe da fonderia, è la seguente:

- 1xxx Alluminio puro (minimo 99%); - 2xxx Leghe Alluminio–Rame; - 3xxx Leghe Alluminio–Manganese; - 4xxx Leghe Alluminio–Silicio; - 5xxx Leghe Alluminio–Magnesio; - 6xxx Leghe Alluminio–Magnesio–Silicio; - 7xxx Leghe Alluminio–Zinco;

(2)

Attività sperimentale

31 Segue a questa serie di numeri una lettera che individua lo stato di tempra:

- F: Come fabbricato; - O: Ricotto;

- H: Incrudito per deformazione plastica; - W: Solubilizzato;

- T: Trattato termicamente per produrre uno stato diverso dai precedenti.

Concentriamo l’attenzione sui diversi tipi di trattamenti termici che possono essere eseguiti sulle leghe di alluminio, descrivendo quindi di seguito le sigle di ognuno di essi appartenenti all’ultimo punto riportato nella lista subito sopra:

- T1 : Raffreddamento dopo formatura a caldo e invecchiamento naturale; - T2 : Raffreddamento dopo formatura a caldo, deformazione a freddo e

invecchiamento naturale;

- T3 : Solubilizzazione, deformazione a freddo e invecchiamento naturale; - T4 : Solubilizzazione e invecchiamento naturale;

- T5 : Raffreddamento dopo formatura a caldo e invecchiamento

artificiale;

- T6 : Solubilizzazione e invecchiamento artificiale;

- T7 : Solubilizzazione e stabilizzazione con sovra–invecchiamento.

- T8 : Solubilizzazione, deformazione a freddo e invecchiamento artificiale;

I tipi di leghe di alluminio impiegate per la realizzazione dei pannelli e dei provini utilizzati per i test, appartengono alla serie 2000 e alla serie 7000. Di seguito saranno quindi riportate soltanto le caratteristiche di queste due serie di leghe tralasciando le altre serie.

• Leghe Serie 2000: possono essere sottoposte a trattamenti termici ed a invecchiamento, hanno una buona resistenza alle alte e alle basse temperature e buona resistenza a creep.

(3)

32 2014 Disponibile in una grande varietà di prodotti.

2017 Disponibile sotto forma di barre e fili; utilizzata per rivetti

2024

Disponibile in una grande varietà di prodotti e stato di tempra. Le proprietà variano marcatamente con la tempra. T3 eT4 producono elevata resistenza a frattura, T6 e T8 producono alta resistenza statica. Eccellente resistenza a creep. Elevata resistenza a corrosione negli stati T6 e T8, minore negli stati T3 e T4.

2090 Lega contenente litio. Minor peso specifico e maggior modulo elastico. 2195 Lega contenente litio. Elevate proprietà meccaniche. Saldabile.

2124

Disponibile in piastre di spessore da 1” a 6’’. Deriva dalla 2024 diminuendo il tenore di impurità. Ciò migliora l’allungamento a rottura nella direzione corta e aumenta la resistenza a frattura. Trattamento termico tipico: T851.

Resistenza a creep e alle alte temperature come il 2024. 2525

T351

Stessa resistenza statica del 2024 T3, ma migliori proprietà a fatica, ampiamente usata nel Boeing777.

2219 Lega stabile. Adatta per applicazioni criogeniche. Buona resistenza alle alte temperature.

2519 Lega facilmente saldabile. Elevata a resistenza a stress – corrosion. Elevata resistenza a frattura. (Protezioni balistiche).

2618 Lega ad alta resistenza utilizzata per forgiati.

• Leghe serie 7000: sono leghe in Alluminio allo Zinco e sono quelle di maggiore resistenza. Sono trattabili termicamente e difficilmente saldabili.

7010 Buone proprietà meccaniche in particolare per forti spessori. 7049/

7149 Utilizzate per forgiate, estrusi e piastre. 7050/

7150

Buone proprietà meccaniche in particolare per forti spessori. Elevata resistenza a frattura.

7075/ 7175

Fra le più resistenti leghe di alluminio. Lo stato T6 massimizza la resistenza statica. Tuttavia però la resistenza a frattura è bassa. Allo stato T73 diminuisce la resistenza statica ed aumenta quella a frattura.

7475 Stesse caratteristiche della 7075 ma con la resistenza a frattura paragonabile a quella del 2024 T3.

(4)

33 Nello specifico, le sigle che denominano i diversi tipi di leghe di alluminio utilizzate sono elencate di seguito con riportati, per ognuna, alcuni dei parametri fondamentali che le caratterizzano [8]: • Al 2024 – T3: • Al 2024 – T351/T4: PROPERTIES PHYSICAL Density, g/cm3 _0.1375 PROPERTIES MECHANICAL Ultimate Tensile Strength, MPa 483 Tensile Yield Strength, MPa 345 Elongation at Break, % 18 Modulus of Elasticity, GPa 73

Poissons Ratio 0.33

Fatigue Strength, MPa 138

Shear Modulus, GPa 28

Shear Strength, MPa 283

COMPONENT VALUE % Aluminium, Al 94.07 Chromium, Cr 0.01 Copper, Cu 4.09 Iron, Fe 0.05 Magnesium, Mg 1.08 Manganese, Mn 0.09 Silicon, Si 0.05 Titanium, Ti 0.15 Zinc, Zn 0.25 Other total 0.15 PROPERTIES PHYSICAL Density, g/cm3 _0.1375 PROPERTIES MECHANICAL Ultimate Tensile Strength, MPa 441 Tensile Yield Strength, MPa 290 Elongation at Break, % 19 Modulus of Elasticity, GPa 71

Poissons Ratio 0.33

COMPONENT VALUE % Aluminium, Al 94 Chromium, Cr 0.01 Copper, Cu 4.09 Iron, Fe 0.05 Magnesium, Mg 1.08 Manganese, Mn 0.09 Silicon, Si 0.05 Titanium, Ti 0.15 Zinc, Zn 0.25 Other total 0.15

(5)

34 • Al 7475 – T761:

• Al 7075 – T651 :

Precedentemente sono state evidenziate le sigle dei tipi di leghe di alluminio utilizzate per una loro più rapida individuazione.

PROPERTIES PHYSICAL

Density, g/cm3 _0,1395

PROPERTIES MECHANICAL Ultimate Tensile Strength, MPa 517 Tensile Yield Strength, MPa 448 Elongation at Break, % 12 Modulus of Elasticity, GPa 70

Poissons Ratio 0.33

Fatigue Strength, MPa /

COMPONENT VALUE % Aluminium, Al 91 Chromium, Cr 0.25 Copper, Cu 1.09 Iron, Fe 0.12 Magnesium, Mg 2.06 Manganese, Mn 0.06 Silicon, Si 0.01 Titanium, Ti 0.06 Zinc, Zn 6.02 Other total 0.15 PROPERTIES PHYSICAL Density, g/cm3 _0.1375 PROPERTIES MECHANICAL Ultimate Tensile Strength, MPa 572 Tensile Yield Strength, MPa 503 Elongation at Break, % 11 Modulus of Elasticity, GPa 71.5

Poissons Ratio 0.33

COMPONENT VALUE % Aluminium, Al 94 Chromium, Cr 0.01 Copper, Cu 4.09 Iron, Fe 0.05 Magnesium, Mg 1.08 Manganese, Mn 0.09 Silicon, Si 0.05 Titanium, Ti 0.15 Zinc, Zn 0.25 Other total 0.15

(6)

35

2.2 Fibre di vetro utilizzate

Le fibre di vetro sono caratterizzate dal basso costo, da un’alta resistenza, da una rigidezza relativamente alta e da un’ottima resistenza agli agenti chimici. Le proprietà delle fibre di vetro sono molto diverse rispetto alle proprietà del materiale base in virtù della elevata velocità con cui il vetro viene raffreddato.

Per la costruzione di fibre possono essere utilizzati diversi tipi di vetro; i tipi più comuni sono il vetro di tipo E (nato per applicazioni elettriche), S (resistenza), A e C resistenti agli agenti chimici. L’elemento di composizione di partenza è sempre sabbia di silice, con l’aggiunta di ossidi di calcio, sodio, boro, ferro ed altri elementi.

Il vetro E ha una buona resistenza meccanica e resiste molto bene in ambiente umido; circa la metà delle fibre di vetro sono costruite con questo materiale. Il vetro di tipo S è composto da silice, allumina e magnesina. Questo vetro presenta una resistenza statica più alta di circa il 30% di quello di tipo E, è più resistente a fatica e alle alte temperature. Per la realizzazione delle fibre di vetro viene usato un crogiolo, la cui parte inferiore è costituita da una piastra in platino forata (200-400 fori del diametro di 1-2mm). Il vetro fuso passa per gravità attraverso i fori e viene tirato ad elevata velocità, 50-100m/sec da una bobinatrice. Il vetro fuso vetrifica dopo pochi millimetri dalla piastra di platino e viene raffreddato rapidamente con uno spray d’acqua. Con questa tecnica è possibile produrre fibre di qualunque diametro, le fibre più comuni hanno diametri tra i 5 e i 15µm.

Uno degli inconvenienti delle fibre di vetro è costituito dalla fatica statica. Applicando infatti una sollecitazione per un periodo di tempo lungo, si ha rottura delle fibre a livelli di sollecitazione molto inferiori rispetto a quelli misurabili in prove di bassa durata (2-5min). Tali riduzioni di resistenza possono essere anche dell’ordine del 70-80%, in funzione del tempo di applicazione del carico, della temperatura e dell’umidità. Inoltre la rottura avviene in modo improvviso, essendo il vetro un materiale tipicamente fragile. Per le fibre di vetro si usano in genere resine poliestere o vinil estere, per il vetro S si usa anche resina epossidica [7].

Per la realizzazione del materiale composito (GLARE) utilizzato per la fabbricazione dei vari provini oggetti di studio nel presente lavoro, si è fatto uso di una fibra di vetro presente in commercio ed appartenente alla categoria di tipo S, e più precisamente in sigla [8]:

(7)

36 COMPONENT VALUE % Al2O3 24.8 B2O3 0.01 BaO 0.2 CaO 0.01 FeO 0.21 MgO 10.27 NaO2 0.27 SiO2 64.2 Other 0.03

Tale tipologia di fibra di vetro utilizzata è stata poi unita con un adesivo di tipo resina epossidica. Nei diversi modelli di FML usati per la realizzazione dei provini sono state usate due differenti resine epossidiche a seconda del tipo di lega di alluminio con cui la fibra di vetro doveva andare ad unirsi. Più precisamente sono state usate resine epossidiche di tipo:

• FM94 27% epoxy adhesive;

• FM906 27% epoxy adhesive.

Le prime sono state usate per l’abbinamento con lega di alluminio Al2024–T3, mentre la seconda è stata utilizzata per l’unione con lega di alluminio Al 7475–T761.

E’ stato tuttavia difficoltoso ricercare in letteratura le proprietà fisiche e meccaniche di ogni specifica resina epossidica sopra riportata, ma si è comunque riusciti a trovare quelle che sono le fondamentali e generali caratteristiche delle resine utilizzate.

Proprietà S2–Glass–Fibre Epoxy UD Lamina (Vf = 60%)

E1 [GPa] 86.9 3.9 53.7

E2 [GPa] 86.9 3.9 9.1

ν12 0.23 0.37 0.39

G12 [GPa] 35.3 1.4 3.4

(8)

37 Nella tabella sopra sono state riportate, oltre alle caratteristiche delle resine epossidiche, anche quelle della fibra di vetro e della lamina prodotta dalla loro unione. Quest’ultime sono state trovate in letteratura, calcolate prendendo in considerazione un Fraction Volume Fibre (FVF) del 60%. Tale valore è stato scelto dopo l’analisi al microscopio elettronico con un ingrandimento di 300X della sezione della lamina di UD glass – fibre epoxy come riportata in figura 2.1.

Figura 2.1: Sezione UD glass–fibre epoxy lamina

2.3 Adesivi impiegati

Per la realizzazione dei pannelli impiegati nelle prove oggetto di studio in questo lavoro, sono stati utilizzati due differenti tipi di adesivi. La scelta di uno o dell’altro si è basata fondamentalmente sul tipo di lega di alluminio usata per la fabbricazione del materiale laminato, il GLARE appunto. Gli adesivi usati sono serviti per unire la struttura del windows frame e gli stringers alla porzione di skin di fusoliera rappresentante il pannello oggetto di studio. Per i pannelli il cui materiale laminato è stato costruito con lega di alluminio Al2024–T3 è stato utilizzato l’adesivo denominato AF 163, mentre per i pannelli il cui materiale laminato è stato costruito in Al7475 T761 è stato utilizzato l’adesivo denominato EA9657.

Si riportano di seguito alcune parti dei Data Sheet riepilogativi delle proprietà meccaniche degli adesivi sopra menzionati.

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

44 Per ulteriori informazioni riguardanti gli adesivi sopra menzionati utilizzati per la realizzazione dei pannelli oggetto di tale studio, si rimanda alla visione dei Data Sheets completi,[9] [10].

2.4 Descrizione di provini e pannelli

Nell’attività sperimentale svolta sono state utilizzate due categorie differenti di provini, una caratterizzata da pannelli di fusoliera rappresentanti due particolari zone di essa, mentre l’altra categoria è caratterizzata da provini comprendenti il corner door di fusoliera. Entrambe le categorie sono a loro volta suddivise a seconda dei materiali utilizzati e delle diverse metodologie costruttive adottate.

(16)

45

2.4.1 Pannelli con Windows Frame

Tale tipologia di pannelli è caratterizzata dalla presenza in essi della struttura dei finestrini, Windows Frame appunto, e da una porzione di skin che la circonda, presenti sulle fusoliere dei velivoli da trasporto civile.

Il numero totale di pannelli che sono stati testati è di 10, metà dei quali sono costituiti da uno skin in GLARE FML3 (0,90) 3/2 con lamine di Al 2024–T3, dello spessore di 0,3mm, e da strati di fibra di vetro FM 94–27% S2 GLASS–187–460 dello spessore di 0,125mm, più il Windows Frame in Al 7075–T651 unito allo skin con adesivo denominato AF 163 di colore rosso (figura 2.3). La restante metà è costituita da uno skin in GLARE FML1 (0,90) 3/2 con lamine di Al 7475–T761, dello spessore di 0,3mm e da strati di fibra di vetro FM 906–27% S2 GLASS–187–460 dello spessore di 0,125mm, più il Windows Frame in Al 7075–T651 unito allo skin con adesivo denominato EA 9657 di colore grigio (figura 2.2).

Figura 2.2: Pannello con Windows Frame Figura 2.3: Sezione del Windows Frame

(17)

46 Figura 2.4: Dimensioni d’ingombro del pannello con Windows Frame

(18)

47

2.4.2 Pannelli con Stringers

Tale tipologia di pannelli è caratterizzata da una porzione di skin dorsale di fusoliera di un velivolo da trasporto civile con tre correnti di irrigidimento, gli stringers appunto.

Il numero totale di pannelli che sono stati testati è di 7, di cui tre sono costituiti da uno skin in GLARE FML3 (0,90) 3/2 con lamine di Al 2024–T3, dello spessore di 0,3mm, e da strati di fibra di vetro FM 94–27% S2 GLASS–187–460 dello spessore di 0,125mm, più n° 3 stringers a “Z” in GLARE FML1 (0,0) 3/2 con lamine di Al 7475–T761 dello spessore di 0,3mm e con strati in fibra di vetro identica a quella utilizzata per lo skin. Gli Stringers sono stati uniti allo skin tramite adesivo denominato AF 163 di colore rosso. I restanti quattro pannelli sono invece costituiti da uno skin in GLARE FML1 (0,90) 3/2 con lamine di Al 7475–T761, dello spessore di 0,3mm, e da strati in fibra di vetro FM 906–27% S2 GLASS–187–460 dello spessore di 0,125mm, più n° 3 stringers a “Z” in GLARE FML1 (0,0) 3/2 con lamine in Al 7475 T761 dello spessore di 0,3mm con strati in fibra di vetro FM 94–27% S2 GLASS–187–460 dello spessore di 0,125mm. In questo caso gli stringers sono stati uniti allo skin tramite adesivo denominato EA 9657 di colore grigio.

(19)

48 Figura 2.6: Dimensioni d’ingombro del pannello con Stringers

(20)

49

2.4.3 Provini con Corner Door

Tale tipologia di provini ricrea una porzione di skin di fusoliera, più uno strato di rinforzo detto doubler, comprendente il corner door di un velivolo da trasporto civile. Questi tipi di provini si dividono in tre categorie differenti, le quali si distinguono tra loro sia in base ai diversi modi con cui sono stai uniti lo strato di skin con quello di doubler, sia in base ai materiali utilizzati per la realizzazione del doubler.

Quello che comunque accomuna ognuno dei tre tipi di provini è che tutti hanno lo strato di skin in lega di alluminio Al 2024–T351 dello spessore di 3mm.

Il primo modello di provini è caratterizzato da uno strato di doubler in lega di alluminio Al 2024–T351 dello spessore di 5mm, e cioè stessa lega utilizzata per lo skin. I due strati sono stati uniti tra loro con 39 rivetti (HI–LOCKS) disposti in modo da allontanare eventuali concentrazioni di tensioni, da essi prodotte, dal contorno del corner door, come si può notare dalla figura 2.7.

(21)

50 Il secondo modello di provini è caratterizzato da uno strato di doubler

in GLARE, dello spessore di 4,95mm, formato da n° 9 lamine di Al 2024–T4 dello spessore di 0,3mm, e da n° 9 strati in fibra di vetro FM 906–27% S2 GLASS–187–460 dello spessore di 0,25mm, ognuno dei quali è a sua volta formato da n° 2 strati in fibra di vetro di spessore 0,125mm, orientati tra loro con diverse angolazioni come riportato in dettaglio dalle figure 2.8 e 2.11. In questo caso il doubler è stato unito allo skin tramite l’ultimo strato di fibra di vetro ad esso adiacente.

Figura 2.8: Provino in Al–FML

Il terzo modello di provini è caratterizzato da uno strato di doubler in GLARE, dello spessore di 5,25mm, formato da n° 10 lamine di Al 2024 T4 dello spessore di 0,3mm, e da n° 9 strati strati in fibra di vetro FM 906–27% S2 GLASS–187–460 dello spessore di 0,25mm, ognuno dei quali è a sua volta formato da n° 2 strati in fibra di vetro di spessore 0,125mm, orientati tra loro con diverse angolazioni come riportato in dettaglio dalle figure 2.9 e 2.12. In questo caso il doubler è stato unito allo skin con una serie di rivetti (HI–LOCKS) disposti in modo da allontanare eventuali concentrazioni di tensioni, da essi prodotte, dal contorno del corner door, come si può notare dalla figura 2.9.

(22)

51 Figura 2.9: Provino in Al–FML con Hi–Locks

Di seguito sono state inoltre riportate le piante quotate con relative sequenze di realizzazione e formazione dello strato di FML. Inoltre per quest’ultimo sono evidenziate le direzioni di ogni singolo strato di fibra di vetro.

(23)

52 Figura 2.10: Dimensioni provino in Al–Al con Hi–Locks

(24)

53 Figura 2.11: Dimensioni provino in Al–FML

(25)

54 Figura 2.12: Dimensioni provino in Al–FML con Hi–Locks

(26)

55

2.5 Programma delle prove

2.5.1 Prove effettuate

Il presente lavoro ha avuto come scopo quello di eseguire dei test al fine di caratterizzare il comportamento dell’innovativo materiale, per le costruzioni aeronautiche, in laminato di fibra di vetro e alluminio denominato GLARE. Tale materiale è attualmente utilizzato per la realizzazione di specifiche parti di aerei da trasporto civile, in particolare esso viene utilizzato per la composizione dei pannelli dorsali di fusoliera, ma è attualmente allo studio per valutarne il comportamento anche in altre zone dei velivoli, come ad esempio i pannelli laterali di fusoliera comprendenti i finestrini e il portellone. Oggetti di tale studio, come già enunciato nel precedente paragrafo, sono appunto queste ultime parti di fusoliera, oltre ai pannelli dorsali con irrigidimenti. In conseguenza delle particolari zone occupate dai pannelli e dai provini su di un velivolo da trasporto civile, sono state richieste due differenti tipologie di carichi da applicare ad essi, ovvero carichi statici e carichi di fatica, nonché, in aggiunta a quest’ultimo, carichi affaticanti con difetti iniziali artificiali.

• Prove Statiche: tale tipologia di prova è stata effettuata applicando ai pannelli e ai provini da esaminare un carico graduale fino ad arrivare alla rottura, se pur parziale, degli stessi, ottenendo così una relazione tra il carico applicato e l’allungamento subito dal provino.

• Prove di Fatica: questo tipo di prove è stato eseguito applicando ai provini un carico sinusoidale con ampiezza costante, sollecitando quindi gli stessi in modo da poter valutare una stima della loro resistenza sotto carichi affaticanti, terminando tali tipi di prove quando il provino stesso cominciava a presentare rotture evidenti.

• Prove di Propagazione di difetti: per questa tipologia di prove sono state utilizzate le stesse condizioni di carico riportate al punto precedente, ed è stata monitorata costantemente l’evoluzione dell’intaglio da noi creato sui provini stessi.

(27)

56

2.5.2 Classificazione di provini e pannelli

Di seguito sono riportate le schede comprendenti le diverse classificazioni in base ai materiali di composizione e ai diversi tipi di carichi applicati, sia sui provini con Corner Door che sui Pannelli con Windows Frame e con Stringers.

Classificazione dei Provini con Corner Door

Quantità Serie Tipo di materiale Denominazione Tipo di Prova

A1 Fatica + Difetto A2 Fatica A3 Fatica A4 Fatica A5 Fatica + Difetto A6 Statico – Trazione A7 Statico – Trazione A8 Statico – Compressione 11 A Al 2024 (con Hi – Locks) A9 Statico – Compressione B1 Fatica B2 Fatica B3 Fatica B4 Fatica + Difetto B5 Fatica + Difetto B6 Statico – Trazione B7 Statico – Trazione B8 Statico – Compressione 10 B Al 2024 + FML B9 Statico – Compressione C1 Fatica C2 Fatica C3 Fatica C4 Fatica + Difetto C5 Fatica + Difetto C6 Statico – Trazione C7 Statico – Trazione C8 Statico – Compressione 9 C Al 2024 + FML (con Hi – Locks) C9 Statico – Compressione Tabella 2.1

(28)

57

Pannelli con Stringers

ID Tipologia di Pannelli

Dim.

(mm) Quantità Denominazione Note

1 Skin FML3(0,90) 3/2 con lamine di 2024T3, 0.3 e stringer in FML1(0,0) con lamine di 7475T761, 0.3 600*800 2 (St) + 1 (Fat with damage) B1 ; B2 ; B5 Configurazione di 3 stringers pitch 2 Skin FML3(0,90) 3/2 con lamine di 7475T761, 0.3 e stringer in FML1(0,0) con lamine di 7475T761, 0.3 600 *800 2 (St) + 1 (Fat) + 1

(Fat with damage) B6 ; B7 ; B8; B10

Configurazione di 3 stringers

pitch

Pannelli con Windows Frame

ID Tipologia di Pannelli

Dim.

(mm) Quantità Denominazione Note

1

Pannello con skin FML3(0,90) 3/2 con

lamine di 2024T3, 0.3

600*800 3 (St) + 1 (Fat) + 1 (Fat with damage)

A1 ; A2 ; A0 ; A3 ; A5 Configurazione con WF cobondizzata 2

Pannello con skin FML3(0,90) 3/2 con lamine di 7475T761,

0.3

600 *800 2 (St) + 2 (Fat) + 1 (Fat with damage)

A6 ; A7 ; A8 ; A9 ; A10 Configurazione con WF cobondizzata Tabella 2.2

2.6 Modalità di svolgimento delle prove

In questa sezione sono riportati i criteri di attuazione dei carichi applicati su ogni configurazione di pannelli e provini testati, e per ogni tipologia di prova effettuata su essi.

(29)

58

2.6.1 Prove effettuate sui pannelli con Windows Frame

Questa tipologia di pannelli è caratterizzata dal fatto di far parte dello skin di fusoliera di un velivolo da trasporto civile, e per questo soggetta ad un campo di tensione diagonale causato dai flussi di taglio derivanti dai carichi, concentrati e non, agenti sulla struttura del velivolo stesso. Per eseguire le prove, quindi, simulando un campo di tensione diagonale, è stato necessario applicare sui pannelli con Windows Frame i carichi lungo una loro diagonale ed inoltre contornare gli stessi con aste rigide al fine di poterli far lavorare con tensioni superiori a quella critica di instabilità, pur presentando evidenti imbozzature. In figura 2.13 è possibile vedere l’attrezzatura utilizzata per la simulazione del campo di tensione diagonale.

(30)

59

• Prove Statiche

Per quanto riguarda le prove statiche, è stato applicato un carico di trazione in graduale aumento, come riportato in un esempio dal grafico di figura 2.14, fino ad un valore sufficientemente elevato da provocare il collasso per delaminazione degli strati del GLARE nelle zone maggiormente sollecitate, o il cedimento del materiale adesivo che unisce il frame del finestrino con lo skin.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Tempo (sec) F o rz a ( K N ) Figura 2.14 •

Prove di fatica

Per la determinazione del carico da applicare alle prove di fatica, inizialmente si è adottato come carico il 50% del carico massimo medio ottenuto dalle prove statiche, P=10000Kg, ma dai dati ottenuti dalle successive misurazioni estensimetriche effettuate durante le stesse prove statiche (si veda figura 2.15 dove è stato evidenziato l’estensimetro numero 2 utilizzato per tale scopo), si è riscontrata una tensione massima sullo spessore del Windows Frame, con tale valore di carico, di circa 270MPa, superiore a quella ipotizzata dal committente delle prove stesse. Tale tensione infatti doveva essere di circa σ=220 MPa, quindi sapendo che il modulo di elasticità del materiale con cui è stato realizzato il Windows Frame è di E = 71500 Mpa, dalla nota relazione:

E

σ

ε =

(31)

60 si è ottenuto un valore pari a ε = 3077 µm/m al quale si è visto corrispondere, attraverso la lettura dei dati estensimetrici effettuati, un valore del carico applicato di P=8600 Kg, inferiore quindi al valore da noi precedentemente utilizzato.

E’ stato così deciso di sottoporre i pannelli a prove di fatica con un carico sinusoidale ad ampiezza costante, con una frequenza di 2Hz, un Pmax=8600 Kg ed R=Pmin/Pmax=0,1, come rappresentato in figura 2.16.

Figura 2.15: Posizioni Estensimetri sul Pannello A2

Figura 2.16

Smin Smax

t S

(32)

61

2.6.2 Prove effettuate sui pannelli con Stringers

Come la tipologia di pannelli appena descritta al paragrafo precedente, anche questa è caratterizzata dal fatto di far parte dello skin di fusoliera di un velivolo da trasporto civile, e per questo soggetta ad un campo di tensione diagonale causato dai flussi di taglio derivanti dai carichi, concentrati e non, agenti sulla struttura del velivolo stesso. Anche qui, per eseguire le prove, simulando quindi un campo di tensione diagonale, è stato necessario applicare sui pannelli con Stringers i carichi lungo una loro diagonale ed inoltre contornare gli stessi con aste rigide al fine di poterli far lavorare con tensioni superiori a quella critica di instabilità, pur presentando evidenti imbozzature. In figura 2.17 è illustrata l’attrezzatura utilizzata per la simulazione del campo di tensione diagonale, analoga a quella impiegata per l’esecuzione delle prove sui pannelli con Windows Frame.

(33)

62

• Prove Statiche

Per quanto riguarda le prove statiche, è stato applicato un carico di trazione in graduale aumento, come riportato in un esempio dal grafico di figura 2.18, fino ad un valore sufficientemente elevato da provocare il distacco parziale degli stringers causato dalle imbozzature presenti sul pannello, o fino a che non avveniva il cedimento per delaminazione del GLARE nelle zone maggiormente imbozzate.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Tempo (sec) F o rz a ( K N ) Figura 2.18 •

Prove di fatica

Per la determinazione del carico da applicare alle prove di fatica si è analizzato il grafico forza–spostamento ottenuto dalle prove statiche, andando a ricercare il valore del carico che corrispondeva al limite della linearità. Come si può vedere dal grafico di figura 2.19, tale valore di carico è risultato essere di P=8000 Kg.

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Attività sperimentale 63 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Spostamento (mm) Fo rz a (K N ) Figura 2.19

E’ stato così deciso di sottoporre i pannelli a prove di fatica con un carico sinusoidale ad ampiezza costante con una frequenza di 2Hz, un Pmax=8000 Kg ed R=Pmin/Pmax=0,1, come rappresentato in figura 2.20.

Figura 2.20

Smin Smax

t S

(35)

64

2.6.3 Prove effettuate sui provini con Corner Door

Questa categoria di provini, già dettagliatamente descritti nei paragrafi precedenti, riporta l’angolo del portellone di fusoliera di un velivolo da trasporto civile, realizzato con materiale laminato in fibra di vetro e alluminio. Lo scopo dei test svolti su tale tipologia di provini è stato quello di valutare la resistenza statica e a fatica nella zona centrale della curvatura riportante il corner door.

• Prove Statiche

Le prove di tipo statico effettuate sui provini con corner door sono state di due tipi, di trazione e di compressione. Il carico applicato per queste prove è stato fornito in maniera manuale e graduale nel tempo, fino ad un valore tale per cui i provini si potessero ritenere deformati permanentemente.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Tempo (sec) F o rz a ( K N ) Figura 2.21

In figura 2.21 è stato riportato un grafico rappresentante un esempio di rampa di carico in funzione del tempo applicato per l’esecuzione delle prove in questione.

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65

• Prove di fatica

Per la determinazione del carico da applicare a questo tipo di prove si è fatto ricorso ai dati relativi alle misurazioni estensimetriche ottenute dall’applicazione di un estensimetro sullo strato di skin in alluminio di un provino in configurazione Al–Al con Hi–Locks testato staticamente con un carico di trazione applicato gradualmente, si veda per questo la figura 2.22, dove è stato evidenziato l’estensimetro utilizzato per tale scopo.

Figura 2.22

Per tali prove di fatica è stato inoltre richiesto di sottoporre il provino ad un carico tale da avere una tensione sullo spessore dello strato di skin in alluminio, nella zona centrale del Corner Door, di circa σ=210 MPa, quindi sapendo che il suo modulo di elasticità è di E = 71000 Mpa, dalla nota relazione:

E

σ

ε =

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66 si è ottenuto un valore di circa ε = 2960 µm/m al quale si è visto corrispondere un valore del carico applicato di P=10084 Kg.

E’ stato così deciso di sottoporre i provini a prove di fatica con un carico sinusoidale ad ampiezza costante con una frequenza di 4Hz, un Pmax=10084 Kg ed R=Pmin/Pmax=0,1, come rappresentato in figura 2.23.

Figura 2.23

• Prove di Propagazione di difetti

Per quanto riguarda il carico utilizzato per questo tipo di prove si può fare riferimento alle sezione sopra appena descritta. La differenza dalla semplice prova di fatica sta solo nel fatto che sui provini sono stati creati dei difetti artificiali caratterizzati da un intaglio a 45° rispetto allo spigolo dello strato di skin in alluminio di una profondità di poco variabile intorno a 1,5mm, come si può vedere dalla figura 2.24. Sulla macchina di prova è stata montata un’attrezzatura comprendente un microscopio da 20X di ingrandimenti necessario al monitoraggio costante, ad intervalli regolari, dell’evoluzione della cricca propagatasi dall’intaglio sotto il carico di fatica applicato, ed un calibro digitale utilizzato per misurare la lunghezza della cricca stessa. E’ possibile vedere tale dispositivo di misura dalla figura 2.25.

Smin Smax

t S

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67 Figura 2.24 Figura 2.25

2.7 Descrizione dell’attrezzatura di carico

2.7.1 Macchinari utilizzati

L’attività sperimentale è stata effettuata presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale di Pisa, utilizzando, a seconda dei carichi previsti, tre macchine servo– idrauliche: una AIP verticale da 25000Kg (figura 2.26), per le prove statiche e a fatica dei pannelli di fusoliera con windows frame e con stringers. Per quanto riguarda le prove svolte sui provini con corner door sono state utilizzate invece due differenti tipi di macchine servo–idrauliche: una AIP verticale da 20000Kg (figura 2.27) per le prove a fatica, e una AIP verticale da 50000Kg (figura 2.28) per le prove statiche di trazione e compressione.

Tali macchinari sono costituiti da un telaio e da un martinetto idraulico controllato da una centralina analogica in grado di comandare il servosistema secondo la forza o lo spostamento. Inoltre è possibile impostare carichi ciclici di tipo sinusoidale ad ampiezza costante o variabile dando la possibilità di immettere tutte le grandezze caratteristiche della forma d’onda desiderata.

I provini e i pannelli sono stati collegati ai macchinari tramite afferraggi appositamente progettati per la cui descrizione si rimanda al paragrafo 2.7.2.

La parte superiore dell’afferraggio è stata direttamente collegata all’intelaiatura della macchina, mentre quella inferiore è stata fissata al pistone dell’attuatore che può muoversi verticalmente.

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68

Figura 2.26 Figura 2.27

Figura 2.28

2.7.2 Afferraggi ed attrezzature impiegate

Per effettuare le diverse prove previste in questo studio di tesi è stato necessario realizzare le interfacce di collegamento tra i provini e i macchinari.

Per le prova a statiche e a fatica svolte sui provini con corner door è bastato far uso di afferraggi già esistenti in laboratorio come mostrato in figura 2.29 e 2.30.

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69 Figura 2.29 Figura 2.30

Inoltre per le prove statiche di compressione sui provini con corner door è stato fatto uso di due piastre in acciaio, realizzate presso l’officina del dipartimento, anti imbozzamento mostrate in figura 2.31.

Figura 2.31

Per quanto riguarda l’attrezzatura di interfaccia, necessaria per le prove statiche e a fatica, utilizzata per i pannelli con windows frame e con stringers, è stato necessario realizzarla interamente. Oltre però agli afferraggi di interfaccia con il macchinario, è stato necessario realizzare anche l’attrezzatura indispensabile per la simulazione delle condizioni di campo di tensione diagonale. Tale condizione è stata soddisfatta realizzando un quadrilatero articolato composto da aste in acciaio C40, incernierate alle estremità tramite perni, in acciaio a tutta tempra la cui sigla è 88MNV8. All’interno di tale quadrilatero, ad ogni prova, è stato alloggiato fino ad una profondità di 45 mm per ogni lato, il pannello oggetto di test e fissato al quadrilatero tramite bulloni M12.5 disposti su di una fila sul perimetro interno dello stesso. La fila di bulloni più esterna ha invece la funzione di unire le coppie di aste formanti il quadrilatero. Nelle figure di seguito sono state riportate alcune modellizzazioni 3D delle aste di contorno dei pannelli e degli afferraggi di interfaccia, nonché un complessivo ed un suo esploso, affiancate da foto riportanti l’attrezzatura reale.

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70 Figura 2.32: Asta lunga (N°2 pezzi)

Figura 2.33: Asta corta (N°2 pezzi)

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71 Figura 2.36: Complessivo – Quadrilatero con interfacce macchina

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72

2.7.3 Sicurezze adottate

Per effettuare le prove sui pannelli di fusoliera con Windows Frame e con Stringers si è dovuto ricorrere alla realizzazione di dispositivi di sicurezza. Questo a causa del fatto che, per la particolare conformazione dell’attrezzatura di prova, il perno di cerniera superiore, che unisce le aste di contorno dei pannelli, avrebbe potuto cedere, soprattutto a causa delle prove di fatica, facendo così cadere tutta la struttura con seri rischi per l’incolumità degli operatori di laboratorio. Per avere un’idea più chiara di tale rischio e di tali dispositivi di sicurezza si può osservare la figura 2.38, dove si notano le sicurezze adottate rappresentate da aste formate da spezzoni di barre filettate ancorate alla piastra di supporto superiore della macchina di prova, e collegate alle aste di contorno del pannello tramite anelli ad esso serrati, entro i quali sono state fatte passare le barre filettate alle cui estremità sono stati avvitati dadi e controdati al di sotto di una rondella di sostegno.

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73

2.8 Descrizione delle prove

In tutti i tipi di prove la prima operazione effettuata è stata il bloccaggio dei provini e dei pannelli sulla macchina per mezzo di bulloni serrati dall’operatore tramite una chiave dinamometria. La seconda operazione è stata quella di mettere in sicurezza lo svolgimento delle prove, inserendo i vari dispositivi descritti al paragrafo precedente. Successivamente sono stati impostati i parametri di carico da applicare alla specifica prova in oggetto a seconda che essa fosse statica o a fatica.

Nel caso di prove statiche esse sono state svolte in controllo spostamento, andando cioè ad agire sulla rotella presente sulla macchina analogica di controllo, che dà un graduale spostamento del pistone idraulico, negativo se di compressione e positivo se di trazione, applicando quindi un carico, anch’esso graduale, al provino oggetto di test. Attraverso poi uno specifico software chiamato CATMAN presente su un PC interfacciato appositamente alla macchina di controllo analogico del macchinario di prova, è stato possibile acquisire ogni valore di carico in funzione dello spostamento applicato. Inoltre grazie a quest’ultimo metodo di raccolta dati utilizzato, è stato possibile anche raccogliere i valori estensimetrici acquisiti dal posizionamento, quando richiesto, di estensimetri sui provini stessi.

Nel caso invece di prove a fatica esse sono state svolte in controllo forza, inserendo un Pmax e un Pmin in modo da avere un R=0,1. Inserendo inoltre un valore adeguato della frequenza di oscillazione, caratterizzante l’onda sinusoidale da noi voluta, si è ottenuto un carico ciclico ad ampiezza costante applicato ai provini soggetti a test affaticanti. Attraverso poi, un apposito conta–cicli, presente sulla macchina analogica di controllo, è stato possibile ricevere il numero di cicli di carico applicato fino a fine prova, decisa quest’ultima da dispositivi di allarme, presenti anch’essi sulla macchina di controllo, regolati sullo spostamento e sulla forza.