Composite panels subjected to multi-impacts at different energy levels

Abstract

Composites are known by their good mechanical properties and low weigh when compared to traditional materials. Because of it, they are used in many applications, like: aircraft/space sector, automotive sector, medical applications and in many sports. Composites applied to the fuselage of airplanes, for example, are subjected frequently to low velocity multi-impacts, resultant from collision with birds, rocks or even ice stones. The low-energy impacts affect significantly the residual strength of those materials, and the damage resultant is difficult to detect. Therefore, the main goal of the present work is to study the effect of multi-impacts on laminated composites, and to obtain models that are able to estimate the fatigue life in Glass Fibre Reinforced Composites (GFRP).Composite laminates subjected to multi-impacts with constant energy level have already been studied by many authors, but multi-impacts with different/variable energy levels represent a topic that was not studied yet. Therefore, this subject sustains this work. For this purpose, experimental tests were performed, where the results of multi-impacts with the same energy level are express by a curve “energy versus number of impacts to failure”, similar to the S-N curves used in fatigue. In terms of multi-impacts with variable energies, the samples were subjected to sequences of impacts with two different blocks composed by different energy levels. The first block represents one third of the fatigue life estimate by the curve obtained with constant energies, and the second one was applied up to failure (full perforation).Finally, the impact fatigue life was estimated based on the E–N curve to the appropriated energy, using a linear cumulative damage rule, and the predictions were compared with experimental results. It is possible to conclude that the linear cumulative damage rule is not applicable to predict the fatigue life in multi-impact tests with variable energy levels for GFRP.

Os materiais compósitos são conhecidos pelas suas boas propriedades mecânicas e baixo peso, quando comparados com os tradicionais materiais que estes substituem. Por estas razões, podem ser utilizados nas mais diversas áreas, tais como: sector da aviação/espaço, sector automóvel, medicina, e em muitas aplicações desportivas.Os compósitos utilizados nas fuselagens dos aviões, por exemplo, são frequentemente sujeitos a multi-impactos de baixa velocidade, resultantes da colisão com pássaros, pedras ou mesmo granizo. Os impactos de baixa energia afetam significativamente as tensões residuais destes materiais, e o dano causado é de difícil deteção. Assim sendo, o objetivo principal deste trabalho é estudar o efeito de multi-impactos em compósitos laminados, e também obter modelos capazes de estimar a vida á fadiga em compósitos reforçados por fibra de vidro.Multi-impactos com níveis de energia constantes em materiais compósitos laminados é um tema já estudado por vários autores, mas multi-impactos com níveis de energia variáveis é um tópico que ainda não foi estudado. Portanto, o tema sustenta este trabalho. De modo a cumprir esse propósito, foram realizados ensaios experimentais, em que os resultados dos multi-impactos com nível de energia constante são expressos pela curva “energia em função do número de impactos até á rotura”, semelhante ás curvas S-N usadas em fadiga. No que diz respeito aos multi-impactos com energias variáveis, as placas foram sujeitas a sequências de impactos, divididos em dois blocos diferentes com níveis de energia distintos. O primeiro bloco corresponde a um terço da vida á fadiga, estimada pela curva obtida com energia constante, e o segundo é aplicado até á rotura (perfuração total).Por fim, a vida á fadiga por impacto foi estimada com base na curva E-N para a energia pretendida, através da utilização de uma lei de dano linear cumulativa, e as previsões foram comparadas com os resultados experimentais. É possível concluir que, para compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras de vidro, essa lei não é fiável para prever a vida á fadiga em ensaios de multi-impacto com níveis de energias variáveis.