Ensaio CAI: Compression After Impact
O Ensaio Compression After Impact é um método de ensaio para determinação da resistência à compressão residual de um laminado após danificação por impacto. Por meio do ensaio CAI é possível obter conclusões quanto à tolerância de dano de um material compósito de múltiplas camadas.
As normas ASTM D7136 e ASTM D7137 descrevem o pré-dano por drop weight ou pelo ensaio de compressão para medição da resistência a danos em materiais compósitos. O ensaio CAI é descrito também em outras normas como por exemplo, ISO 18352, Airbus AITM1-0010 ou Boeing BSS 7260 Type II.
Objetivo do Ensaio CAI Normas Pré-dano das placas de ensaio Ensaio de compressão CAI Downloads
Objetivo do ensaio Compression After Impact
No método de ensaio Compression After Impact CAI é determinada a resistência à compressão residual de um laminado após a danificação por impacto. Para tal, a amostra feita em laminado multidirecional é primeiramente pré-danificada com a energia de impacto definida na respectiva norma de ensaio.
Com o auxílio de ensaios de impacto e a determinação da resistência à compressão residual no subsequente ensaio de compressão estática é possível avaliar a tolerância ao dano de um laminado de compósito de fibra em relação a possíveis danos por impacto. Em estruturas de materiais compósitos utilizados na aviação podem ser causados danos de impacto por ex. por meio de queda de ferramentas durante a manutenção, impactos por pedras na decolagem e/ou aterrissagem ou por meio de colisão com veículos de suporte no solo.
Visto que o dano no lado de impacto muitas vezes é dificilmente detectável, também se fala de “barely visible impact damage“, enquanto dentro do laminado e no lado oposto poderão surgir às vezes danos maciços com significativas fissuras da matriz e delaminações.
O ensaio CAI pode ser subdividido em 3 fases:
- A aplicação do dano por impacto com a utilização de um drop weight adequado e a energia de impacto definida pela norma.
- Avaliação e documentação do dano por impacto por meio de medição da deformação no local de impacto e adicionalmente determinação da danificação dentro do laminado com a utilização de um método de ensaio não destrutivo adequado, por ex. por meio de ultrassom (C-Scan).
Observação: O ensaio não destrutivo (ZfP) por meio de C-Scan não é objeto do portfólio da ZwickRoell. Remete-se aqui a outros fornecedores. - Determinação da resistência à compressão residual estática com utilização de uma máquina para ensaios de materiais estáticos e dispositivo de ensaio CAI.
Quais são as normas aplicáveis a ensaios CAI?
Normas usuais utilizadas para o ensaio Compression After Impact são
- ASTM D7136: Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event
- ASTM D7137: Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates
- ISO 18352: Determinação das características Compression-After-Impact com energia de impacto específica
- AITM1-0010: Airbus Test Method for determination of Compression Strength After Impact
- Boeing BSS 7260, Type II: Análise da resistência à compressão de laminados de material compósito após impacto
A norma ASTM D7136 descreve o ensaio de impacto e a avaliação e documentação do dano causado pelo impacto a serem feitas subsequentemente. A norma ASTM D7137 descreve o ensaio de compressão estática para determinação da resistência à compressão residual do laminado danificado.
Todas as demais normas acima mencionadas descrevem todas as 3 fases da execução do ensaio, sendo que o procedimento para determinação da danificação interna por meio de ZfP não é descrito detalhadamente.
Execução do ensaio CAI: Pré-dano da amostra
No drop weight instrumentado HIT230F ou HIT600F, a amostra sofre um pré-dano causado pelo dispositivo de fixação e pela energia de impacto definidos nas normas. Dependendo da norma aplicada, as dimensões do dispositivo de fixação assim como a posição de fixação poderão levemente variar.
Para simplificar a operação, as amostras são tensionadas fora da ferramenta de queda e, em seguida, inseridas na posição de teste. Importante para o ensaio de impacto é a utilização de uma ferramenta de queda com sistema anti-rebote para não comprometer o primeiro dano de impacto por meio da exposição da amostra a impactos repetidos do dispositivo de impacto. Adicionalmente, a utilização de um drop weight instrumentado possibilita a determinação fácil da curva de força, da velocidade de impacto e da energia de impacto absorvida pela amostra.
Máquinas para ensaio de materiais adequadas para a danificação prévia das placas de ensaio
O drop weight instrumentado HIT230F com a regulagem da altura de queda de até 1 metro, a medição integrada da velocidade no local de impacto, dispositivo anti-rebote, o dispositivo de impacto adequado para o ensaio de impacto (16 mm em diâmetro) e os pesos existentes e substituíveis com muita facilidade para ajuste de diferentes energias de impacto, é exatamente alinhado aos requisitos para pré-dano de amostras CAI.
O drop weight instrumentado HIT600F é igualmente adequado para a aplicação do pré-dano no ensaio CAI, porém também poderá alcançar velocidades e energias de impacto maiores por meio do ajuste de umaaltura de queda maior e um dispositivo de aceleração opcional para instalação posterior. Portanto, ele também é adequado para a execução de ensaios de punção multiaxiais em amostras feitas em plástico.
Execução do ensaio CAI: ensaio de compressão estática
Após o pré-dano da amostra causado no ensaio de impacto com drop-weight e a avaliação do dano de impacto por meio de medição da deformação no local de impacto e determinação da dimensão do dano no interior do laminado causado no ensaio não destrutivo, o próprio ensaio de compressão estática para determinação da resistência à compressão residual CAI pode ser executado.
Para tal, a amostra pré-danificada é instalada em um dispositivo de compressão CAI especial. Visto que as condições colaterais da fixação da amostra nas normas de ensaio CAI diferem, dois diferentes dispositivos de compressão CAI são utilizados.
- Para ASTM D7137 e Boeing BSS 7260 Type II a amostra é guiada em todos os quatro lados, mas não é fixada
- Para ISO 18352 e Airbus AITM1-0010, a amostra é fixada nas partes superior e inferior e é guiada nos lados por meio de um contato de linha
Dispositivo de compressão CAI (Compression After Impact)
O dispositivo CAI é posicionado entre dois anéis de fixação na máquina para ensaios de materiais estáticos. No ensaio CAI a amostra é exposta à compressão até a falha. O ensaio Compression After Impact é válido quando a amostra falha na região do dano de impacto aplicado de forma centralizada. Falhas nas ou próximas às fixações superior ou inferior não são admissíveis.
Vantagens:
- Substituição fácil da amostra por meio de manuseio fácil do dispositivo CAI
- Em um range de temperatura grande de -70 °C até +300 °C
- A rigidez lateral elevada em virtude dos elementos de suporte impede a flexão lateral do dispositivo, em especial quando são utilizadas estruturas de laminado não convencionais
- Insertes de metal duro intercambiáveis nas superfícies de contato superior e inferior com a amostra minimalizam o desgaste das superfícies de introdução da força expostas à forte carga
CAI ensaio de compressão conforme ASTM D7137
No ensaio de compressão CAI uma amostra de compósito previamente danificada é testada em um dispositivo de compressão especial até 600 kN. O ensaio Compression After Impact é executado com uma máquina para ensaios de materiais Z600E no range de temperatura de -60 °C até +350 °C.
Máquinas para ensaios de materiais adequadas para o ensaio de compressão CAI
No ensaio Compression After Impact poderão surgir facilmente forças superiores a 100 kN por meio da utilização de uma amostra relativamente grande com as dimensões de 100 mm x 150 mm x 5 mm (largura x comprimento x espessura). Isso também depende do tipo de material compósito testado (por ex. CFK ou GFK), do tipo de reforço de fibra utilizado (por ex. UD, camada de fibras unidirecionais ou tecidos) ou utilização de outras estruturas de laminado e espessuras de laminado diferentes das estruturas de laminado e espessuras de laminado nominais definidas nas normas de ensaio acima indicadas.
Portanto, os ensaios de compressão CAI devem ser executados em uma máquina para ensaios de materiais estáticos com a carga nominal de 150 kN até 250 kN. Para o ensaio CAI com laminados de espessura muito grande também podem ser utilizados dispositivos CAI reforçados e máquinas para ensaios de materiais estáticos com carga nominal maior de até 600 kN.
Para a verificação da centralização exata do arranjo de ensaioe para verificação da tolerância dimensional do dispositivo de compressão CAI devem ser utilizadas amostras com strain gage (DMS) aplicado nos dois lados (no total 4 unidades por amostra), dependendo da norma de ensaio CAI aplicada no ensaio, na instalação do arranjo de ensaio ou em intervalos definidos. A inclusão dos sinais DMS na máquina para ensaios de materiais pode ser feita com caixas DMS previamente confeccionadas ou com a utilização de um reforço de medição universal adequado.
FAQ
Por meio de um ensaio de impacto é provocado um pré-dano da amostra feita em material compósito. No subsequente ensaio de compressão estática é determinada a resistência à compressão residual. Dessa forma é possível avaliar a tolerância ao dano de um laminado de material compósito de fibra em relação a possíveis danos por impacto.
O ensaio Compression after Impact (também chamado de ensaio CAI) imita danos do material compósito como por ex. poderão ocorrer em aviões ou veículos causados por impacto de pedras, impacto de pássaros ou por acidentes. O valor característico determinado no ensaio é chamado de resistência à compressão residual.
Para o ensaio CAI são necessários um drop weight para o pré-dano da amostra assim como uma máquina para ensaios de materiais estáticos para o ensaio de compressão estática.