Some issues concerning the dynamic response and damage of composite laminates subjected to low velocity impact

Abstract. This thesis presents a discussion on a few specific topics regarding the low velocity impact behaviour of laminated composites. These topics were chosen because of their significance as well as the relatively limited attention received so far by the scientific community. The first issue considered is the comparison between the effects induced by a low velocity impact and by a quasi-static indentation experimental test. An analysis of both test conditions is presented, based on the results of experiments carried out on carbon fibre laminates and on numerical computations by a finite element model. It is shown that both quasi-static and dynamic tests led to qualitatively similar failure patterns; three characteristic contact force thresholds, corresponding to the main steps of damage progression, were identified and found to be equal for impact and indentation. On the other hand, an equal energy absorption resulted in a larger delaminated area in quasi-static than in dynamic tests, while the maximum displacement of the impactor (or indentor) was higher in the case of impact, suggesting a probably more severe fibre damage than in indentation. Secondly, the effect of different specimen dimensions and boundary conditions on its impact response was examined. Experimental testing showed that the relationships of delaminated area with two significant impact parameters, the absorbed energy and the maximum contact force, did not depend on the in-plane dimensions and on the support condition of the coupons. The possibility of predicting, by means of a simplified numerical computation, the occurrence of delaminations during a specific impact event is also discussed. A study about the compressive behaviour of impact damaged laminates is also presented. Unlike most of the contributions available about this subject, the results of compression after impact tests on thin laminates are described in which the global specimen buckling was not prevented. Two different quasi-isotropic stacking sequences, as well as two specimen geometries, were considered. It is shown that in the case of rectangular coupons the lay-up can significantly affect the damage induced by impact. Different buckling shapes were observed in laminates with different stacking sequences, in agreement with the results of numerical analysis. In addition, the experiments showed that impact damage can alter the buckling mode of the laminates in certain situations, whereas it did not affect the compressive strength in every case, depending on the buckling shape. Some considerations about the significance of the test method employed are also proposed. Finally, a comprehensive study is presented regarding the influence of pre-existing in-plane loads on the impact response of laminates. Impact events in several conditions, including both tensile and compressive preloads, both uniaxial and biaxial, were analysed by means of numerical finite element simulations; the case of laminates impacted in postbuckling conditions was also considered. The study focused on how the effect of preload varies with the span-to-thickness ratio of the specimen, which was found to be a key parameter. It is shown that a tensile preload has the strongest effect on the peak stresses at low span-to-thickness ratios, leading to a reduction of the minimum impact energy required to initiate damage, whereas this effect tends to disappear as the span-to-thickness ratio increases. On the other hand, a compression preload exhibits the most detrimental effects at medium span-to-thickness ratios, at which the laminate compressive strength and the critical instability load are close to each other, while the influence of preload can be negligible for thin plates or even beneficial for very thick plates. The possibility to obtain a better explanation of the experimental results described in the literature, in view of the present findings, is highlighted. Throughout the thesis the capabilities and limitations of the finite element model, which was implemented in an in-house program, are discussed. The program did not include any damage model of the material. It is shown that, although this kind of analysis can yield accurate results as long as damage has little effect on the overall mechanical properties of a laminate, it can be helpful in explaining some phenomena and also in distinguishing between what can be modelled without taking into account the material degradation and what requires an appropriate simulation of damage. Sommario. Questa tesi presenta una discussione su alcune tematiche specifiche riguardanti il comportamento dei compositi laminati soggetti ad impatto a bassa velocità. Tali tematiche sono state scelte per la loro importanza, oltre che per l’attenzione relativamente limitata ricevuta finora dalla comunità scientifica. La prima delle problematiche considerate è il confronto fra gli effetti prodotti da una prova sperimentale di impatto a bassa velocità e da una prova di indentazione quasi statica. Viene presentata un’analisi di entrambe le condizioni di prova, basata sui risultati di esperimenti condotti su laminati in fibra di carbonio e su calcoli numerici svolti con un modello ad elementi finiti. È mostrato che sia le prove quasi statiche sia quelle dinamiche portano a un danneggiamento con caratteristiche qualitativamente simili; tre valori di soglia caratteristici della forza di contatto, corrispondenti alle fasi principali di progressione del danno, sono stati individuati e stimati uguali per impatto e indentazione. D’altro canto lo stesso assorbimento di energia ha portato ad un’area delaminata maggiore nelle prove statiche rispetto a quelle dinamiche, mentre il massimo spostamento dell’impattatore (o indentatore) è risultato maggiore nel caso dell’impatto, indicando la probabilità di un danneggiamento delle fibre più severo rispetto al caso dell’indentazione. In secondo luogo è stato esaminato l’effetto di diverse dimensioni del provino e diverse condizioni al contorno sulla sua risposta all’impatto. Le prove sperimentali hanno mostrato che le relazioni fra l’area delaminata e due parametri di impatto significativi, l’energia assorbita e la massima forza di contatto, non dipendono dalle dimensioni nel piano dei provini e dalle loro condizioni di supporto. Viene anche discussa la possibilità di prevedere, per mezzo di un calcolo numerico semplificato, il verificarsi di delaminazioni durante un determinato caso di impatto. È presentato anche uno studio sul comportamento a compressione di laminati danneggiati da impatto. Diversamente della maggior parte della letteratura disponibile su questo argomento, vengono qui descritti i risultati di prove di compressione dopo impatto su laminati sottili durante le quali l’instabilità elastica globale dei provini non è stata impedita. Sono state considerate due differenti sequenze di laminazione quasi isotrope, oltre a due geometrie per i provini. Viene mostrato come nel caso di provini rettangolari la sequenza di laminazione possa influenzare sensibilmente il danno prodotto dall’impatto. Due diversi tipi di deformate in condizioni di instabilità sono stati osservati per laminati con diversa laminazione, in accordo con i risultati dell’analisi numerica. Gli esperimenti hanno mostrato inoltre che in certe situazioni il danno da impatto può alterare la deformata che il laminato assume in seguito ad instabilità; d’altra parte tale danno non ha sempre influenzato la resistenza a compressione, a seconda della deformata. Vengono proposte anche alcune considerazioni sulla significatività del metodo di prova utilizzato. Infine viene presentato uno studio esaustivo riguardo all’influenza di carichi membranali preesistenti sulla risposta all’impatto dei laminati. Sono stati analizzati con simulazioni numeriche ad elementi finiti casi di impatto in diverse condizioni di precarico, sia di trazione sia di compressione, sia monoassiali sia biassiali; è stato preso in considerazione anche il caso di laminati impattati in condizioni di postbuckling. Lo studio si è concentrato in particolare sulla dipendenza degli effetti del precarico dal rapporto larghezza-spessore del provino, che si è rivelato un parametro fondamentale. Viene illustrato che un precarico di trazione ha l’effetto più marcato sulle massime tensioni per bassi rapporti larghezza-spessore, portando ad una riduzione della minima energia di impatto necessaria per innescare il danneggiamento, mentre questo effetto tende a scomparire all’aumentare di tale rapporto. Il precarico di compressione evidenzia invece gli effetti più deleteri a rapporti larghezza-spessore intermedi, ai quali la resistenza a compressione del laminato e il suo carico critico di instabilità sono paragonabili, mentre l’influenza del precarico può essere trascurabile per piastre sottili o addirittura benefica per piastre molto spesse. Viene evidenziata la possibilità di trovare una spiegazione più soddisfacente dei risultati sperimentali riportati in letteratura, alla luce del presente contributo. Nel corso della tesi vengono anche discussi le potenzialità ed i limiti del modello ad elementi finiti utilizzato, che è stato implementato in un programma scritto in proprio. Il programma non comprende alcuna modellazione del danneggiamento del materiale. Viene però spiegato come, nonostante questo tipo di analisi possa portare a risultati accurati soltanto finché il danno ha scarsi effetti sulle proprietà meccaniche d’insieme del laminato, esso possa essere utile per spiegare alcuni fenomeni, oltre che per distinguere fra ciò che si può riprodurre senza tenere conto del degrado del materiale e ciò che invece richiede una simulazione adeguata del danneggiamento.

Sintesi e caratterizzazione di nanopolveri composite allumina-zirconia

Il presente lavoro di tesi riguarda la sintesi di nanopolveri allumina-zirconia, seguendo tre differenti metodologie (sintesi per coprecipitazione, sintesi con il metodo dei citrati, sintesi idrotermale assistita da microonde) e il trattamento termico (calcinazione) delle polveri ottenute, mediante tecniche di riscaldamento convenzionali ed alternative (microonde). Lo scopo del lavoro è consistito nell’individuare, tra le tecniche esaminate, quella più idonea e conveniente, per la preparazione di nanopolveri cristalline 95 mol% Al2O3 – 5 mol% ZrO2 e nell’esaminare gli effetti che la calcinazione condotta con le microonde, ha sulle caratteristiche finali delle polveri, rispetto ai trattamenti termici convenzionali. I risultati ottenuti al termine del lavoro hanno evidenziato che, tra le tecniche di sintesi esaminate, la sintesi idrotermale assistita da microonde, risulta il metodo più indicato e che, il trattamento termico eseguito con le microonde, risulta di gran lunga vantaggioso rispetto a quello convenzionale. La sintesi idrotermale assistita da microonde consente di ottenere polveri nano cristalline poco agglomerate, che possono essere facilmente disaggregate e con caratteristiche microstrutturali del tutto peculiari. L’utilizzo di tale tecnica permette, già dopo la sintesi a 200°C/2ore, di avere ossido di zirconio, mentre per ottenere gli ossidi di alluminio, è sufficiente un ulteriore trattamento termico a basse temperature e di breve durata (400°C/ 5 min). Si è osservato, inoltre, che il trattamento termico condotto con le microonde comporta la formazione delle fasi cristalline desiderate (ossidi di alluminio e zirconio), impiegando (come per la sintesi) tempi e temperature significativamente ridotti. L’esposizione delle polveri per tempi ridotti e a temperature più basse consente di evitare la formazione di aggregati duri nelle nanopolveri finali e di contrastare il manifestarsi di fenomeni di accrescimento di grani, preservando così la “nanostruttura” delle polveri e le sue caratteristiche proprietà.

Crashworthiness and composite materials: development of an experimental test method for the energy absorption determination and implementation of the relative numerical model

In this PhD thesis the crashworthiness topic is studied with the perspective of the development of a small-scale experimental test able to characterize a material in terms of energy absorption. The material properties obtained are then used to validate a nu- merical model of the experimental test itself. Consequently, the numerical model, calibrated on the specific ma- terial, can be extended to more complex structures and used to simulate their energy absorption behavior. The experimental activity started at University of Washington in Seattle, WA (USA) and continued at Second Faculty of Engi- neering, University of Bologna, Forl`ı (Italy), where the numerical model for the simulation of the experimental test was implemented and optimized.

Electrospun nanofibrous interleaves in composite laminate materials

The present work aims for investigate the influence of electrospun Nylon 6,6 nanofibrous mat on the behavior of composite laminates. The main idea is that nanofibrous interleaved into particular ply-to-ply interfaces of a laminate can lead to significant improvements of mechanical properties and delamination/damage resistance. Experimental campaigns were performed to investigate how nanofibers affect both the static and dynamic behavior of the laminate in which they are interleaved. Fracture mechanics tests were initially performed on virgin and 8 different configuration of nanomodified specimens. The purposes of this first step of the work are to understand which geometrical parameters of the nanointerleave influence the behavior of the laminate and, to find the optimal architecture of the nanofibrous mat in order to obtain the best reinforcement. In particular, 3 morphological parameters are investigated: nanofibers diameter, nanofibers orientation and thickness of the reinforce. Two different values for each parameter have been used, and it leads to 8 different configurations of nanoreinforce. Acoustic Emission technique is also used to monitor the tests. Once the optimum configuration has been found, attention is focused on the mechanism of reinforce played by the nanofibers during static and dynamic tests. Low velocity impacts and free decay tests are performed to attest the effect of nanointerlayers and the reinforce mechanism during the dynamic loads. Bump tests are performed before and after the impact on virgin and two different nanomodified laminates configurations. The authors focused their attention on: vibrational behavior, low velocity impact response and post-impact vibration behavior of the nano-interleaved laminates with respect to the response of non-nanomodified ones. Experiments attest that nanofibers significantly strength the delamination resistance of the laminates and increase some mechanical properties. It is demonstrated that the nanofibers are capable to continue to carry on the loads even when the matrix around them is broken.

Composite materials design, manufacture and evaluation

Fibre-Reinforced-Plastics are composite materials composed by thin fibres with high mechanical properties, made to work together with a cohesive plastic matrix. The huge advantages of fibre reinforced plastics over traditional materials are their high specific mechanical properties i.e. high stiffness and strength to weight ratios. This kind of composite materials is the most disruptive innovation in the structural materials field seen in recent years and the areas of potential application are still many. However, there are few aspects which limit their growth: on the one hand the information available about their properties and long term behaviour is still scarce, especially if compared with traditional materials for which there has been developed an extended database through years of use and research. On the other hand, the technologies of production are still not as developed as the ones available to form plastics, metals and other traditional materials. A third aspect is that the new properties presented by these materials e.g. their anisotropy, difficult the design of components. This thesis will provide several case-studies with advancements regarding the three limitations mentioned. In particular, the long term mechanical properties have been studied through an experimental analysis of the impact of seawater on GFRP. Regarding production methods, the pre-impregnated cured in autoclave process was considered: a rapid tooling method to produce moulds will be presented, and a study about the production of thick components. Also, two liquid composite moulding methods will be presented, with a case-study regarding a large component with sandwich structure that was produced with the Vacuum-Assisted-Resin-Infusion method, and a case-study regarding a thick con-rod beam that was produced with the Resin-Transfer-Moulding process. The final case-study will analyse the loads acting during the use of a particular sportive component, made with FRP layers and a sandwich structure, practical design rules will be provided.

Spatial Disparity and Dynamic Trajectory of Convergence in China: Construction and Application of a Composite Index of Regional Development

China is a large country characterized by remarkable growth and distinct regional diversity. Spatial disparity has always been a hot issue since China has been struggling to follow a balanced growth path but still confronting with unprecedented pressures and challenges. To better understand the inequality level benchmarking spatial distributions of Chinese provinces and municipalities and estimate dynamic trajectory of sustainable development in China, I constructed the Composite Index of Regional Development (CIRD) with five sub pillars/dimensions involving Macroeconomic Index (MEI), Science and Innovation Index (SCI), Environmental Sustainability Index (ESI), Human Capital Index (HCI) and Public Facilities Index (PFI), endeavoring to cover various fields of regional socioeconomic development. Ranking reports on the five sub dimensions and aggregated CIRD were provided in order to better measure the developmental degrees of 31 or 30 Chinese provinces and municipalities over 13 years from 1998 to 2010 as the time interval of three “Five-year Plans”. Further empirical applications of this CIRD focused on clustering and convergence estimation, attempting to fill up the gap in quantifying the developmental levels of regional comprehensive socioeconomics and estimating the dynamic convergence trajectory of regional sustainable development in a long run. Four clusters were benchmarked geographically-oriented in the map on the basis of cluster analysis, and club-convergence was observed in the Chinese provinces and municipalities based on stochastic kernel density estimation.