Impact behaviour of multifunctional panels

The objective of this study was to investigate a multifunctional system under high- to hyper-velocity impact loading. This multifunctional system is a plate structure that, in addition to its load bearing function, has the ability of self-repairing holes generated by impacts. In order to achieve multiple functionality the panel consists of several different layers, each having a specific task, and thus primary contributing to a specific function of the entire multifunctional structure system. From a structural point of view this multifunctional system can be considered as a multilayer plate. From a functional perspective the panel layers can be divided in two groups: structural layer and self-healing layer. Each layer can occur once or more in a panel configuration. The performance of the multifunctional structure depends on the number of layers, the mechanical and physical properties of the individual layers, layer thickness and on the arrangement of the various layers in a multifunctional structure. The multifunctional system investigated in this work consists of one self-healing layer and one or two structural layers. To provide the structural system with the ability to seal holes generated by perforating impacts a layer of ethylene-co-methacrylic acid ionomer was used in a multifunctional system. These ionomers have been observed to self-heal following ballistic puncture and such a response is an inherent behaviour of those materials, therefore no external intervention is necessary in the self-healing process. For the structural layers, plates made of composite materials were used. Two slightly different structural layers were investigated. One is a laminate made entirely of carbon fibre reinforced plastics, while the other is a carbon fibre laminate with aramid fabric/epoxy resin composite layers attached to its front and back face. These two structural layers and the ionomer layer were combined to form several configurations of multifunctional panels. The different configurations, including also the individual layers alone, were tested under impact loading. Tests on the ionomer alone were performed to study its protection capability for bumper applications. For this purpose tests on aluminium plates were also performed and the results were compared to those of the ionomer. The protection capability was evaluated by studying the damage on witness plates and the momentum transferred to them. The composite structural layers for the multifunctional structure were tested individually and their behaviour was compared with that of the ionomer self-healing layer. Multifunctional panel configurations consisting of two and three layers were also tested. The impact behaviour and the comparison of the various configurations were characterized through the momentum transfer to the witness plate, the fragments velocities in the debris cloud, the damage in the layers, in certain cases the damage on the witness plate was also used. Several instruments were used to measure the relevant quantities. A ballistic pendulum was used to estimate the momentum of the debris cloud. A high-speed video camera was employed to film the impact tests, which enabled the measurement of fragments velocities by a dedicated software. An ultrasound flaw detector was applied for delamination damage detection in the composite material. Superficial damage was inspected visually. Learning how to use the ultrasound flaw detector and the high-speed video camera was an integral part of the PhD work that required a considerable amount of time. The self-healing of the ionomer was checked for all tests by visually examining the ionomer samples. The experiments were conducted at the CISAS impact facility, using a two stage light gas gun. The impact velocities in the experimental tests ranged from ~1.0 to ~4.0 km/s. Aluminium spherical projectiles were used, and ranged in diameter from 1.5 to 5.6 mm. Numerical simulations of the experimental tests on the individual layers were performed and the results were compared. The numerical simulations were performed with the commercially available ‘hydrocode’ Ansys Autodyn.

L'obiettivo di questa tesi era di studiare un sistema multifunzionale soggetto a impatti ad alta- e iper-velocità. Questo sistema multifunzionale è un pannello che, oltre alla sua funzione portante, ha la capacità di autoripararsi cioè di chiudere i fori causati da impatti. Al fine di ottenere la multifunzionalità il pannello è costituito da diversi strati, ciascuno avente un compito specifico, contribuendo così ad una funzione specifica dell'intero sistema struttura multifunzionale. Dal punto di vista strutturale questo sistema multifunzionale può essere considerato come una piastra multistrato. Dal punto di vista funzionale gli strati del pannello possono essere suddivisi in due gruppi: strato strutturale e strato auto-riparante. Ogni strato può essere presente una o più volte nella configurazione del pannello. Le prestazioni della struttura multifunzionale dipendono dal numero di strati, dalle proprietà meccaniche e fisiche degli strati individuali, dallo spessore degli strati e della disposizione dei vari strati nella struttura multifunzionale. Il sistema multifunzionale studiato in questo lavoro è costituito da un strato auto-riparante e uno o due strati strutturali. Per fornire al sistema strutturale la capacità di richiudere i fori generati da impatti perforanti, uno strato di ionomero con capacità auto-riparanti è stato applicato nel sistema multifunzionale. Si è osservato che questi ionomeri sono in grado di richiudere i fori causati da impatti balistici. Inoltre questa proprietà è un comportamento intrinseco di questi materiali, quindi non è necessario un intervento esterno nel processo di auto-riparazione. Per gli strati strutturali, sono state usate lastre in materiale composito. Due strati strutturali leggermente diversi sono stati studiati. Uno è un laminato realizzato interamente in fibra di carbonio e resina, mentre l'altro è un laminato misto con due strati di fibra aramidica in resina epossidica sulle superfici estreme e una parte centrale in laminato di fibre di carbonio. Questi due strati strutturali e lo strato di ionomero sono stati combinati tra di loro per formare diverse configurazioni di pannelli multifunzionali. Le diverse configurazioni, tra cui gli strati singoli, sono stati testati in casi di impatto. Prove sul solo ionomero sono state eseguite per studiare la sua capacità di protezione nei confronti di impatti. Per questo scopo anche dei test d’impatto su lastre di alluminio sono stati effetuati e i risultati sono stati confrontati con quelli dello ionomero. La capacità di protezione è stata valutata attraverso lo studio del danno su witness plates e la quantità di moto ad esse trasferita. Gli strati strutturali in materiale composito per la struttura multifunzionale sono stati testati singolarmente e i relativi risultati sono stati confrontati tra loro e con quelli dello strato auto-riparante in ionomero. Inoltre si sono testate e valutate configurazioni di pannelli multifunzionali composte anche da due o tre strati. Il comportamento sotto impatto e il confronto delle configurazioni è stato caratterizzato attraverso: - la valutazione del trasferimento della quantità di moto alla witness plate, - la velocità dei frammenti nella nuvola di detriti, - il danno negli strati e, in certi casi, il danno sulla witness plate. Diversi strumenti sono stati utilizzati per misurare tali quantità: - un pendolo balistico per stimare la quantità di moto della nube di detriti; - una videocamera ad alta velocità per filmare le prove d'impatto, il che ha consentito la misurazione della velocità dei frammenti; - un rilevatore di difetti ad ultrasuoni per il rilevamento della delaminazione nel materiale composito. Il danno superficiale è stato ispezionato visivamente così come l'auto-riparazione dello ionomero che è stata valutata per tutti i test esaminando visivamente i campioni di ionomero. L’apprendimento dell’utilizzo di strumenti sofisticati quali il rivelatore ad ultrasuoni e la videocamera ad alta velocità è stata parte integrante del lavoro di dottorato che ha richiesto una considerevole quantità di tempo. Gli esperimenti sono stati condotti presso il laboratorio di impatti del CISAS, utilizzando il cannone a doppio stadio e a gas leggero. Le velocità d'impatto nelle prove sperimentali variavano fra ~ 1.0 e ~ 4.0 km/s. Sono state utilizzate come proiettili delle sfere in alluminio, il cui diametro variava fra 1.5 mm e 5.6 mm. Infine sono state effettuate delle simulazioni numeriche delle prove sperimentali sui singoli strati ed i risultati sono stati confrontati con quelli sperimentali. Le simulazioni numeriche sono state effettuate utilizzando l'hydrocode commerciale Ansys AUTODYN.