Prova CAI: Compressione dopo l'impatto
La prova di compressione dopo l’impatto è un metodo di prova utilizzato per determinare la resistenza residua alla compressione di un laminato dopo un danno causato da un impatto. Il test CAI viene utilizzato per indagare la tolleranza al danno di un composito multistrato.
Le norme ASTM D7136 e ASTM D7137 descrivono il processo di pre-danneggiamento mediante una torre di caduta o la prova di compressione per misurare la resistenza al danno dei compositi. La prova CAI è descritta anche in norme quali ISO 18352, Airbus AITM1-0010 e Boeing BSS 7260 tipo II.
Obiettivo della prova CAI Standard Pre-danneggiamento dei piatti di prova
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Obiettivo della prova di compressione dopo l’impatto
La prova di compressione dopo l’impatto (CAI) è un metodo di prova utilizzato per determinare la resistenza residua alla compressione di un laminato dopo un danno causato da un impatto. Il provino in laminato multidirezionale viene pre-danneggiato con energie d'impatto specificate nella rispettiva normativa di prova.
Mediante prove di impatto e la determinazione della forza di compressione residua derivante dalla successiva prova di compressione statica, è possibile valutare la resistenza ai danni di un laminato in fibra composita ai possibili danni da impatto. Per le strutture di compositi utilizzate nell’aviazione, i danni da impatto possono essere causati, ad esempio, dalla caduta di utensili durante la manutenzione, la caduta di massi durante il decollo e l’atterraggio o l’impatto con veicoli di terra.
Poiché i danni sul lato dell’impatto sono spesso difficili da individuare, spesso vi si fa riferimento come “danni da impatto scarsamente visibili”, mentre all’interno del laminato e sul lato opposto, si possono verificare alcuni danni importanti con cricche e delaminazioni significative della matrice.
Le prove CAI possono essere suddivise in tre fasi:
- L’applicazione del danno da impatto mediante un’apposita torre di caduta e l’energia di impatto specificata nella normativa utilizzata.
- Valutazione e documentazione del danno da impatto misurando la deformazione sul punto dell’impatto e con la valutazione aggiuntiva del danno all’interno del laminato mediante l’uso di un metodo di prova non distruttivo, ad esempio mediante ultrasuoni (C-scan).
Nota: La prova non distruttiva (NDT) mediante C-scan non è inclusa nella gamma ZwickRoell. A questo scopo ricorriamo a fornitori terzi. - Determinazione della forza di compressione statica residua mediante una macchina di prova statica dei materiali adatta e un dispositivo di prova CAI.
A quali normative fanno riferimento le prove CAI?
Gli standard comunemente utilizzati per la prova di compressione dopo l'impatto includono
- ASTM D7136: Misurazione della resistenza al danneggiamento di un composito a matrice polimerica rinforzato con fibre sottoposto all’impatto con torre di caduta
- ASTM D7137: Proprietà di resistenza residua alla compressione di piastre di compositi a matrice polimerica danneggiate
- ISO 18352: Determinazione delle proprietà di compressione dopo l'impatto ad un livello di energia d'impatto specificato
- AITM1-0010: Metodo di prova Airbus per la determinazione della resistenza alla compressione dopo l'impatto
- Boeing BSS 7260, Tipo II: Prova di resistenza alla compressione dopo l'impatto su laminati compositi
La norma ASTM D7136 descrive la prova di impatto e la valutazione e documentazione del danno da impatto dopo la prova. La norma ASTM D7137 descrive la prova di compressione statica per determinare la resistenza residua alla compressione del laminato danneggiato.
Tutti gli altri standard sopra citati descrivono le tre fasi di esecuzione della prova, anche se la procedura per la determinazione del danno interno tramite test non distruttivi non è descritta in dettaglio.
Esecuzione della prova CAI: pre-danneggiamento del provino
Nella torre di caduta strumentata HIT230F o HIT600F, il provino viene pre-danneggiato mediante un dispositivo di serraggio e l’energia di impatto specificata in una delle normative. A seconda della normativa applicata, le dimensioni del dispositivo di serraggio e la posizione di serraggio possono variare.
Per facilitare la prova, i provini vengono bloccati al di fuori della torre di caduta e in seguito spostati nella posizione di prova. Per la prova di impatto è importante utilizzare una torre di caduta con un dispositivo antirimbalzo per evitare che il danno da impatto iniziale venga mascherato dai ripetuti impatti del provino con l’impattatore. Con la torre di caduta strumentata è anche più facile determinare la curva della forza, la velocità di impatto e l’energia di impatto assorbita dal provino.
Macchine di prova correlate per il pre-danneggiamento delle piastre di prova
La torre di caduta strumentata HIT230F con altezza di caduta regolabile fino a 1 metro, misurazione integrata della velocità sul punto d'impatto, dispositivo antirimbalzo, dispositivo di impatto corrispondente per la prova di impatto (diametro 16 mm) e pesi facilmente intercambiabili per l'impostazione di diverse energie d'impatto è stata progettata specificamente per rispettare i requisiti dei campioni CAI pre-danneggiati.
La torre di caduta strumentata HIT600F è ideale anche per l'applicazione di forze di pre-danneggiamento nel test CAI, e può raggiungere velocità ed energie d'impatto ancora più elevate con un'impostazione della distanza di caduta più alta e l'aggiunta di un'unità di accelerazione opzionale. È quindi adatta anche per l'esecuzione di prove di punzonatura multiassiali su campioni in plastica.
Esecuzione della prova CAI: prova di compressione statica
Dopo aver pre-danneggiato il provino nella prova di impatto con la torre di caduta e averne valutato il danno misurando la deformazione nel punto d'impatto e determinando l'entità del danno all'interno del laminato mediante test non distruttivi, è possibile eseguire la prova di compressione statica vera e propria per la determinazione della resistenza residua a compressione CAI.
Per questo test, il provino pre-danneggiato viene installato in uno speciale kit per prove di compressione CAI. Poiché i requisiti generali per il serraggio del provino differiscono nelle norme di prova CAI, per i test di compressione vengono utilizzati due dispositivi diversi.
- Per ASTM D7137 e Boeing BSS 7260 Tipo II, il provino è guidato su tutti e quattro i lati, ma non viene afferrato.
- Per ISO 18352 e Airbus AITM1-0010, il provino è afferrato in alto e in basso e guidato sui lati attraverso il contatto di linea
Dispositivo per prove di compressione CAI (compressione dopo l'impatto)
Il dispositivo CAI viene posizionato tra due piatti di compressione installati nella macchina di prova materiali. Durante la prova CAI, il provino è sottoposto a un carico di compressione fino al punto di rottura. La prova di compressione dopo l'impatto è valida se il provino cede nella zona del danno da impatto applicato centralmente. Non è ammesso il cedimento in corrispondenza o in prossimità del morsetto superiore o inferiore.
Vantaggi:
- Facilità di cambio provino grazie all’utilizzo davvero semplice del dispositivo CAI
- Utilizzo in un ampio intervallo di temperature da -70 °C a +300 °C
- La maggiore rigidità laterale grazie alle barre di supporto impedisce la flessione laterale del dispositivo, soprattutto quando si utilizzano strutture laminate non convenzionali
- Gli inserti in carburo intercambiabili per le superfici di contatto superiore e inferiore con il provino riducono al minimo l'usura delle superfici di applicazione della forza fortemente sollecitate
Prove di compressione dopo l'impatto (CAI) Test secondo ASTM D7137
Durante le prove di compressione dopo l'impatto (CAI), un provino di composito pre-danneggiato viene sottoposto a prova utilizzando un dispositivo di compressione con capacità pari a 600 kN. La prova di compressione dopo l'impatto viene eseguita con una macchina di prova materiali Z600E nell’intervallo di temperatura da -60°C a +350°C.
Macchine di prova per le prove di compressione CAI
Nella prova di compressione dopo l'impatto, l'uso di un provino relativamente grande di 100 mm x 150 mm x 5 mm (larghezza x lunghezza x spessore) può facilmente generare forze superiori a 100 kN. Ciò si verifica anche in base al tipo di materiale composito testato (ad esempio, CFRP o GFRP), dal tipo di rinforzo in fibra utilizzato (ad esempio, UD, scrim o tessuto), o dall'uso di costruzioni e spessori laminati che differiscono dalle costruzioni nominali del laminato secondo gli standard di prova di cui sopra.
Le prove CAI devono quindi essere eseguite con una macchina per prove statiche con un carico nominale compreso tra 150 kN e 250 kN. Per le prove CAI con laminati molto spessi, si possono utilizzare anche dispositivi CAI rinforzati e macchine per prove statiche con un carico nominale superiore, fino a 600 kN.
Per verificare l'allineamento accurato della configurazione di prova e l'accuratezza dimensionale del dispositivo di compressione CAI, per ogni prova, al momento del set-up della configurazione di prova o a intervalli specifici, a seconda dello standard di prova CAI utilizzato (un totale di 4 per provino), devono essere utilizzati provini con strain gage applicati su entrambi i lati. I segnali degli strain gage possono essere integrati nella macchina di prova con box preassemblati o utilizzando un amplificatore di misura universale adatto.
FAQ
Una prova di impatto viene utilizzata per pre-danneggiare un provino in composito. Una successiva prova di compressione statica determina la resistenza residua alla compressione del provino. Ciò consente di valutare la resistenza di un laminato in fibra composita ai danni causati dall’impatto.
La prova di compressione dopo l'impatto (anche CAI test) simula i danni subiti da un materiale composito, come quelli che possono verificarsi su aerei o sui veicoli a seguito di impatti con rocce, uccelli o di incidenti. Il valore caratteristico determinato da questa prova viene definito resistenza residua alla compressione.
Per il test CAI, è necessario una torre di caduta per pre-danneggiare il provino e una macchina per la prova di compressione statica.