I materiali compositi sono dei materiali relativamente recenti, in quanto la loro concezione risulta essere risalente agli anni sessanta. La spinta trainante è da addebitarsi allo sforzo profuso dall'industria aeronautico-militare statunitense. L'utilizzo di tali materiali è però ben presto ricaduto dal campo aeronautico militare a quello aeronautico civile fino ai diversi settori dell'industria meccanica. Infatti tali materiali sono dotati di una resistenza specifica nettamente superiori a quelle delle migliori leghe di acciaio o di alluminio, permette al contempo di diminuire notevolmente i pesi a parità di rigidezza strutturale. Un primo limite, di natura economica, all'utilizzo di tali materiali è insito nel loro costo elevato che, seppur diminuendo con l'aumentare della loro diffusione, ne limita l'utilizzo solo a quelle applicazioni in cui i benefici apportati consentono di sopportare tale onere.
Un altro limite, questa volta di natura puramente meccanica, nell'utilizzo di tali materiali è insito nel problema del danneggiamento interno e del comportamento meccanico post-impattivo delle superfici in materiale composito esposte sia all'impatto con corpi solidi ad energia e velocità diverse. Questo ha comportato, stante l'esigenza di affidabilità cui de\vono sottostare ad esempio gli aeromobili (in cui l'utilizzo di tali materiali è oramai preponderante), un notevole impulso verso lo studio del comportamento all'impatto dei laminati in materiale composito.
I diversi tipi di danneggiamento possono essere, diversamente ed opportunamente, suddivisi in base all'entità della velocità e dell'energia d'impatto. Possiamo così parlare di:

Particolarmente vivace risulta essere lo studio degli impatti a bassa velocità ed energia. Se si analizzano una serie di laminati in materiale composito sottoposti ad impatto a bassa velocità, si può osservare come il danneggiamento, in maniera strettamente correlata all'aumentare dell'energia e della velocità d'impatto, proceda in quattro fasi fondamentali:

La bibliografia a disposizione mette in evidenza come tale problema sia spesso affrontato in maniera completamente diversa a seconda dei fini che ci si propone. Esistono infatti una serie di teorie analitiche che tentano di spiegare l'insorgere ed i meccanismi di propagazione di rotture e delaminazioni. Due di questi, quelli più utilizzati, sono gli schemi di Clark e TOP-HAT.
Particolarmente interessante risulta essere lo studio del comportamento dinamico del materiale durante la fase di impatto. A questo scopo sono stati concepiti una serie di modelli di natura e con finalità diverse. Sono state concepite analisi semplificate che cercano di mettere in evidenza gli aspetti macroscopici dell'impatto, leggi di indentazione che facilitino il calcolo degli sforzi locali e la previsione delle deformazioni su un provino, leggi tendenti a predire l'inizio del danneggiamento e le sue modalità di propagazione, schematizzazioni tendenti a stimare le proprietà meccaniche post-impattive.
E' così possibile, anche con mezzi di calcolo limitati, impostare una interessante simulazione dell'andamento temporale di variabili quali la forza d'impatto, la velocità e l'accelerazione dell'impattatore e l'inflessione del provino.
In alternativa ed in supporto alle metodologie classiche vengono oggi in aiuto nuove tecniche, come quelle agli elementi finiti, che permettono di ottenere risultati sempre più aderenti con quanto si ricava dalle analisi sperimentali.
Per quanto riguarda quest'ultimo aspetto le apparecchiature utilizzate in laboratorio per simulare tali impatti sono:

Lo scopo di tali prove di simulazione è volta a riprodurre in laboratorio le condizioni di impatto reale, per così mettere in evidenza il comportamento della lamina composita durante l'impatto o per valutarne le residue capacità di resistenza strutturale successive all'impatto. Molta attenzione deve essere così posta nell'analisi del materiale danneggiato utilizzando quei metodi di indagine non distruttivi (in particolare ultrasuoni e raggi X) che permettano di mettere in evidenza ogni tipo di danneggiamento.
Tali risultati sperimentali costituiscono la base di partenza e lo strumento di confronto degli studi rivolti alla determinazione di modelli analitici e numerici che simulino il comportamento del laminato all'impatto. Operativamente questo porta ad un miglioramento delle capacità, da parte del laminato, di assorbire senza danni irreversibili, o comunque minimi, l'impatto.
Le direttive verso cui si è indirizzato lo studio in esame è risultato essere principalmente quello della costruzione di un modello analitico che simuli il comportamento macroscopico di un laminato in materiale composito durante l'impatto. Nella fattispecie il materiale oggetto di tale analisi è risultato essere un laminato con sequenza quasi isotropa in fibra di carbonio-resina PEEK.
La base di partenza è risultata essere il modello Spring-mass di Shivakumar, il quale simula il comportamento del materiale attraverso una opportuna combinazione di molle e masse. Sua caratteristica e limite maggiore, risulta essere quello che il suo campo di applicabilità risulta essere circoscritto a quello elastico. Esso, infatti, non riesce a mettere in evidenza quei fenomeni di danneggiamento (rotture di fibre, delaminazioni, rotture di matrice) che, indotti dall'impatto, producono una diminuzione delle caratteristiche resistive del materiale.
Si è così voluti andare oltre tali limiti, estendendo il campo di utilizzo di tale modello, attraverso l'introduzione di una serie di elementi che tengano conto di tali effetti. Si è così proceduto separando tra loro i diversi effetti indotti dal danneggiamento, verificando, per ciascuno di essi, gli effetti che singolarmente generano sul comportamento del laminato.
I fenomeni di danneggiamento indotti dall'impatto sono:

Per ogni step sono state effettuate una serie di prove sperimentali, esaurientemente documentate, atte a sincerare come le tesi formulate fossero plausibili e rispondenti alla realtà dei fatti osservati. Per ricercare i legami tra la gravosità dell'impatto ed il danneggiamento generato, è stato necessario indagare, con opportune metodologie, preferibilmente di tipo non distruttivo, tali provini impattati.
Un valido ausilio nella determinazione delle caratteristiche da introdurre nel modello finale è stata l'analisi effettuata agli elementi finiti. Attraverso tale metodologia siamo riusciti a simulare, introducendo un'opportuna legge di plasticizzazione, il comportamento plastico del materiale nella zona di contatto tra indentatore e provino. Lo stesso è stato fatto per valutare il danneggiamento interno (rotture di fibre e di matrice) dove, ad ogni passo di carico, è stato visualizzato il procedere di esso.
Per una più razionale lettura tale tesi è stata organizzata e suddivisa in una serie di capitoli:

INDICE | INTRODUZIONE | CAPITOLO 1 | CAPITOLO 2 | CAPITOLO 3 | CAPITOLO 4 | CAPITOLO 5 | CONCLUSIONI | BIBLIOGRAFIA | RINGRAZIAMENTI