Caracterización experimental del efecto de la tasa de deformación en el comportamiento mecánico de un compuesto termoplástico

Los materiales compuestos se han aplicado en estructuras de alto desempeño, como estructuras aeroespaciales (estabilizadores, ala y fuselaje), que requieren ser lo suficientemente ligeras y resistentes para soportar grandes cargas. Mejoras en las fibras y materiales para la matriz (polímeros termoestables y termoplásticos), han dado como resultado compuestos poliméricos reforzados con fibras (FRP) con propiedades mecánicas mejoradas requeridas para estructuras primarias [1], [2]. Estas estructuras pueden estar sometidas, en operación, a cargas dinámicas que generan altas tasas de deformación (impacto de objetos externos, impacto de proyectiles y ondas de choque) y las propiedades mecánicas son significativamente afectadas por estas condiciones de carga [3]. Lo anterior quiere decir que el diseño confiable de componentes fabricados con materiales compuestos requiere las características detalladas de los materiales a altas tasas de deformación, sin embargo debido a la falta de información, propiedades estáticas son utilizadas en la selección de material y el proceso de diseño de la parte, lo cual puede producir peso de diseño excesivo o causar fallas inexplicables y fuera de tiempo [4], [5]. En respuesta a esta necesidad y tomando en cuenta que los compuestos termoplásticos reforzados con fibras (TFR) presentan varios beneficios en comparación con materiales termoestables [1] y han sido menos estudiados, el presente trabajo se enfoca en la caracterización experimental del efecto de la tasa de deformación en el comportamiento mecánico de un compuesto TFR con matriz de sulfuro de polifenileno y refuerzo de fibra tejida (fibra de carbono y de vidrio) bajo carga de compresión utilizando un máquina Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) y un máquina universal de ensayo electro-mecánica, respectivamente. Las propiedades mecánicas dinámicas del material a diferentes tasas de deformación son comparadas con los resultados de pruebas cuasi-estáticas utilizando probetas con la misma geometría y lote de material. Un sistema de imagen de alta velocidad es utilizado para monitorear el proceso de falla durante las pruebas y se realiza análisis fractográfico. ABSTRACT Composite materials have gained popularity in high performance structures that need to be lightweight and strong enough to take high loads such as aerospace structures (tails, wings and fuselages). Improved fibers and matrix materials (thermosets and thermoplastics) have been developed, resulting in fiber reinforced polymer (FRP) composites with enhanced mechanical properties to be use in primary structures [1], [2]. A key factor for the application of these materials is their strength at high strain rate due to the structures are subjected to dynamic loads such as impact with foreign bodies, projectile impacts and shock waves, and the mechanical properties are significantly affected for these loading conditions [3]. This means that reliable design of the composite components requires the detailed characteristics of the materials at high strain rates, however because of the unavailability of dynamic properties, static properties are used in material selection and design, which can produce excessive design weight or cause unexplained and untimely failure [4], [5]. In respond to the necessity mentioned above and taking into account that thermoplastics fiber-reinfroced (TFR) composites present several benefits over thermoset materials [1] and have been less studied, the present work focuses on experimental characterization of the strain rate effect on the mechanical behavior of woven polyphenylene sulfide (PPS) TFR composites (carbon and glass fiber) under compression loading using a Split Hopkinson Pressure Bar apparatus and an electro-mechanic universal testing machine for dynamic and quasi-static tests, respectively. Dynamic ultimate strength, failure strain, Young Modulus and stress-strain curve of the material under different high strain rates are compared with quasi-static test results using the same specimen geometry and batch. High speed imaging system is used to monitor the failure process during the test and fractography analysis is performed. The data base of the properties generated can be taking account for the right design and simulation of new parts and the prediction for those that are already in use

Análisis experimental y numérico de reparaciones adhesivas de laminados delgados

Mención Internacional en el título de doctorIn recent decades, the use of composite materials has increased in different sectors of the industry, such as aeronautical and aerospace areas, because of their excellent properties and the reduction in weight that they entail compared to traditional materials. Aircrafts can suffer damage during its service life, so the repair of the damaged components can be considered of interest due to its large size and high level of integration. Among the different repair techniques, adhesive repairs are the only which can be applicated on thin laminates. The objective of a structural repair is to restore the strength of the damaged component. Moreover, the repair must avoid changes in the overall stiffness of the structure, guaranteeing a correct load transfer. The behaviour of composite adhesively-bonded repairs depends on a large number of parameters, so that the performance of an exclusively experimental study would involve high temporal and economic costs. On the other hand, analytical models can be used to analyse the problems in global terms without studying the influence of different parameters in detail. In this PhD Thesis the study of the behaviour of composite patch repairs applied on thin laminates subjected to uniaxial tensile loads under static and dynamic conditions is proposed. A three-dimensional numerical model using the finite-element code Abaqus has been developed to reproduce its response. As a first approach to the analysis of structural repairs, bonded joints were analysed, going into detail about the adhesive response. A progressive damage model using the Cohesive Zone Model formulation to predict the damage onset and its propagation was used to define the adhesive behaviour. This model was validated considering results from the literature for singlelap joints. The influence of geometric and numerical parameters on the joint response were analysed. The numerical model was extended to define the adhesively-bonded repair behaviour. A user subroutine based on Hashin criteria to reproduce the composite laminate behaviour, together with the adhesive damage model validated previously, was developed to study the repair behaviour. Experimental tests under static and dynamic conditions, considering different specimen configurations, were carried out to validate the numerical model. Moreover, experimental tests on undamaged and open-hole laminates were carried out to evaluate the efficiency of the repairs. The numerical model was used to analyse the influence of the repair configuration (singleor double-lap), overlap length, adhesive thickness, patch stacking sequence, patch geometry and strain rate dependence on the repair behaviour.En las ultimas décadas, el uso de materiales compuestos se ha visto incrementado en diferentes sectores de la industria, entre los que destacan el aeronáutico y aeroespacial, debido a sus excelentes propiedades mecánicas y la reducción de peso que suponen frente a los materiales tradicionales. Las aeronaves pueden sufrir danos durante su vida en servicio, por lo que la reparación de los componentes afectados resulta de especial interés debido al alto nivel de integración y elevado tamaño de los mismos. Entre las diferentes técnicas de reparación existentes aplicables a laminados delgados, destacan las reparaciones adhesivas. El objetivo principal de una reparación estructural es restaurar la resistencia del componente dañado a la de su estado previo al daño. De la misma forma, debe evitar cambios en la rigidez global de la estructura, garantizando una correcta transferencia de carga. El comportamiento de las reparaciones adhesivas de material compuesto depende de un elevado numero de parámetros, por lo que la realización de un estudio exclusivamente experimental supondría un elevado coste temporal y económico. Por otra, los modelos analíticos permiten el estudio del problema planteado en términos globales, pero sin llegar a contemplar en detalle la influencia de las diferentes variables. En la presente Tesis Doctoral se analiza el comportamiento de reparaciones adhesivas estructurales de tipo parche externo sobre laminados delgados fabricados con material compuesto sometidas a esfuerzos de tracción uniaxial en condiciones estáticas y dinámicas. Para ello, se ha desarrollado un modelo numérico tridimensional empleando el código comercial de elementos finitos Aboqus, el cual permite predecir la respuesta de este tipo de reparaciones. Como primera aproximación al estudio de reparaciones adhesivas se ha llevado un análisis sobre uniones adhesivas que ha permitido profundizar en el comportamiento del adhesivo. Se ha empleado un modelo de daño progresivo basado en la formulación de los Modelos de Zona Cohesivos, capaz de predecir el inicio del daño y su evolución. Este modelo se ha validado con resultados disponibles en la literatura de uniones adhesivas y se ha empleado para analizar la influencia de parámetros relativos al modelo y de parámetros geométricos sobre la respuesta a tracción uniáxica en condiciones estáticas. Una vez validado el modelo de comportamiento del adhesivo, se ha extendido al comportamiento de reparaciones adhesivas sometidas a un mismo estado de cargas en condiciones estáticas y dinámicas. El comportamiento del laminado de material compuesto se ha definido mediante una subrutina de usuario basada en el criterio de daño de Hashin. Con el objetivo de validarlo se han realizado ensayos experimentales a tracción uniaxial en condiciones estáticas y dinámicas sobre probetas reparadas considerando diferentes configuraciones. A su vez, se han realizado ensayos sobre probetas de laminados intactos y con agujero, el cual representa el saneamiento del daño, con el objetivo de evaluar la eficiencia de las reparaciones. El modelo numérico se ha empleado para analizar la influencia sobre el comportamiento de las reparaciones adhesivas de diversos parámetros como la configuración de la reparación, la longitud de solape, el espesor del adhesivo, la secuencia de apilamiento del parche, la geometría del parche y la velocidad de aplicación de la carga.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización IndustrialPresidente: Carlos Navarro Ugena.- Secretario: Elena Correa Montoto.- Vocal: Francisca Martínez Herguet

Evaluación del daño por impacto en laminados de material compuesto mediante la respuesta dinámica

La presente monografía está basada en el texto de la tesis doctoral homónima defendida en la Universitat Politècnica de Catalunya el 6 de febrero de 2012, en el marco del programa de doctorado de Análisis Estructural del Departament de Resistència de Materials i Estructures a l’Enginyeria. En este estudio se analiza la viabilidad del uso de las técnicas experimentales y numéricas basadas en la respuesta dinámica, para la detección y localización del daño inducido, la cuantificación del grado de severidad y la predicción de las propiedades mecánicas residuales de laminados de material compuesto tras ser sometidos a un impacto a baja velocidad. El trabajo de investigación comprende un enfoque mixto experimental y numérico. Por un lado constituye un riguroso estudio experimental que incluye la evaluación de la resistencia a impacto, la caracterización del daño inducido, la cuantificación de los efectos en la respuesta dinámica y la evaluación de la capacidad portante residual. El estudio experimental se completa con un minucioso análisis del efecto inducido por deslaminaciones artificiales en la respuesta dinámica y en la capacidad portante residual de los laminados. Por otro lado, se ha simulado el fenómeno estimando principalmente la iniciación y la propagación del daño interlaminar e igualmente los efectos inducidos en la respuesta dinámica. En el enfoque numérico se trata el material compuesto como un sistema microestructural, en el cual los fallos surgen en la interacción entre los materiales constituyentes. Para reproducir la degradación se emplea una estrategia de reducción localizada de la rigidez elástica del material que no demanda una intervención durante el preproceso. Los resultados empíricos aportan conclusiones relevantes en relación al grado de sensibilidad y a la adecuación de los diferentes criterios de correlación modal para la identificación del daño inducido por un impacto. Los nuevos criterios de correlación definidos y el análisis conjunto de las propiedades estáticas y dinámicas residuales, han permitido acotar el intervalo de incertidumbre y reducir la limitación actual en relación a la deformación máxima admisible a compresión de los laminados. La herramienta de cálculo desarrollada permite simular el comportamiento vibratorio de laminados compuestos definiendo el material y su estado de degradación en la microescala. Los resultados corroboran la viabilidad del enfoque microestructural para la simulación del fenómeno

Modelización numérica de la no-linealidad constitutiva de laminados compuestos

El objetivo principal del presente trabajo es el desarrollo, formulación e implementación computacional, de un modelo numérico para el tratamiento de la no linealidad constitutiva de laminados reforzados con fibras, en el contexto de la mecánica de los medios continuos. Esta formulación plantea combinar (o componer) los comportamientos de materiales simples (homogéneos) con el objetivo de obtener la respuesta mecánica del material compuesto (heterogéneo).Postprint (published version

Actas del Primer Congreso Argentino de Ingeniería Aeronáutica

Durante los días 3, 4 y 5 de Diciembre de 2008, en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de La Plata se lleva a cabo el Primer Congreso Argentino de Ingeniería Aeronáutica, CAIA 1. La presente publicación incluye los trabajos aprobados para su presentación en el CAIA 1. Este congreso está enfocado en temas de Investigación y Desarrollo aeronáuticos llevados a cabo por distintos investigadores y grupos de trabajo de nuestro país y el exterior.Material digitalizado en SEDICI gracias a la Biblioteca de la Facultad de Ingeniería (UNLP).Facultad de Ingenierí

Análisis de falla en modo mixto I y II bajo cargas cuasi-estáticas y dinámicas por impacto en un compuesto de reparación aeronáutica

Delamination fracture analysis of multi-layered composite materials poses a difficult structural problem due to its high complexity and combination of physical phenomena. Interest in predicting composite fracture was grown in the last years, due to their specific applications in the aerospace and aeronautic industries. Previous studies had shown that an accurate prediction failure needs to be accompanied by material testing in all mix-mode combinations which involve complex experimental setups. This study presents the experimental and numerical results for mode I, mode II and mixed-mode I+II, fracture toughness by utilizing the mixed-mode bending test of our main device. The material tested was a fiberglass/Epoxy composite manufactured by wet lay-up vacuum bagging, which is commonly used in aeronautic repair applications. Critical energy release rates were calculated for individual mode I and II and then utilized in conjunction with the experimental data to calibrate the Power law failure criteria. The effects of the mode of loading in the crack growth rate at the dynamic test are presented in this study.El análisis de falla por delaminación de materiales compuestos laminados plantea un problema estructural difícil debido a su alta complejidad y combinación de fenómenos físicos. El interés por predecir la fractura de compuestos ha crecido en los últimos años, debido a sus aplicaciones específicas en la industria aeroespacial y aeronáutica. Estudios previos, han demostrado que un análisis de falla debe ir acompañado de pruebas de materiales en todas las combinaciones de modo mixto, así como diferentes tipos de carga, lo que implica configuraciones experimentales complejas. Este estudio analiza la influencia de diferentes tipos de carga en la resistencia a la delaminación de materiales compuestos, comúnmente utilizados en reparaciones aeronáuticas. Con el fin de cumplir este objetivo, se determinó la tasa de liberación de energía para dos tipos de carga (cuasi-estática e impacto de baja velocidad) y diferentes modos de carga combinada (I, II, I/II). Las pruebas se realizaron mediante el uso de los montajes Mixed-mode bending (MMB), Double cantilever Beam (DCB) y End notched flexure (ENF), así como una máquina de ensayos universales para las pruebas cuasi-estáticas, y una máquina de impacto por proyección vertical (DWIT) para las pruebas dinámicas. Los resultados muestran que existe una dependencia entre la resistencia a la delaminación y el tipo de carga al cual está sometido el material compuesto, así como una influencia en la tasa de crecimiento de grieta.Magíster en Ingeniería MecánicaMaestrí

Modelización numérica de la no-linealidad constitutiva de laminados compuestos

La respuesta mecánica de los materiales compuestos depende del comportamiento de los materiales componentes y de su micro‐estructura. Para mejorar y optimizar el diseño de piezas estructurales de materiales compuestos, la industria requiere herramientas informáticas que reproduzcan de manera apropiada el comportamiento de estos materiales incluso en el rango no lineal. Por tanto, es muy importante la investigación y desarrollo de modelos numéricos para compuestos  que tengan en cuenta la morfología o estructura del material de forma adecuada y eficiente, además de ser necesario contar con un entorno gráfico específico para este tipo de problemas que facilite la entrada de datos al código de cálculo y posteriormente permita visualizar los resultados deseados. El objetivo principal del presente trabajo es el desarrollo, formulación e implementación computacional, de un modelo numérico para el tratamiento de la no linealidad constitutiva de laminados reforzados con fibras, en el contexto de la mecánica de los medios continuos. Esta formulación plantea combinar (o componer) los comportamientos de materiales simples (homogéneos) con el objetivo de obtener la respuesta mecánica del material compuesto (heterogéneo). Para ello, propone una gestión adecuada de los modelos constitutivos (homogéneos), actualmente disponibles, de cada uno de los materiales componentes; aprovechándose de esta manera el gran desarrollo conseguido en el campo de la modelización constitutiva de materiales simples, y permitiendo la transferencia de toda esta tecnología al campo de los materiales compuestos. Teniendo en cuenta la estructura interna del material compuesto, se desarrolla una estrategia de desacoplamiento e interacción de estas fases; de una manera novedosa. Esta metodología, denominada “composición de comportamientos”, permite tener en cuenta muchos fenómenos locales de degradación que tienen lugar en las fases componentes, tales como plasticidad, daño, fatiga, envejecimiento, fluencia, etc., de una manera acoplada, lo cual también es novedoso en este tipo de enfoque. Las aplicaciones del presente trabajo se centran en los tres primeros fenómenos mencionados, dado que su combinación permite simular el comportamiento de una extensa variedad de materiales compuestos empleados en la industria. Se desarrolla el algoritmo de resolución del modelo propuesto que permite conseguir convergencia cuadrática, tanto local como global, de los problemas no‐ lineales al ser implementado como modelo constitutivo en un código de elementos finitos, proveyendo rapidez y precisión al análisis de estructuras de materiales compuestos en muchas aplicaciones industriales. La simulación del laminado se logra mediante la combinación del modelo propuesto con una teoría de laminado aplicada en cada punto de integración. Se emplean elementos 3D sólidos isoparamétricos para discretizar estructuras laminadas gruesas; mientras que para estudiar estructuras laminares de pequeño espesor, se desarrolla un elemento de lámina laminado en capas de material compuesto, sobre la base de un elemento de lámina más simple (Discrete Kirchoff Triangle). La validación del modelo muestra el cumplimiento de las ecuaciones de cierre (equilibrio de tensiones y compatibilidad de deformaciones entre componentes), tanto en la dirección de las fibras (comportamiento en paralelo) como en direcciones ortogonales (comportamiento en serie). Además, se ilustran diversas envolventes de fallo para lámina/laminados generadas con el modelo propuesto y se las compara con otros criterios de fallo global para compuestos y resultados experimentales disponibles en la literatura. La aplicabilidad del modelo se demuestra mediante simulaciones numéricas realizadas sobre geometrías de mayor complejidad para modelar la respuesta mecánica de piezas industriales. Los resultados numéricos contrastados con los experimentales indican la capacidad del modelo propuesto para describir el comportamiento no‐lineal de laminados reforzados con fibras en diferentes orientaciones sometidos a estados de carga multiaxial tanto estática como cíclica

Modelling alpha case formation and embrittlement for Ti-6Al-4V produced by additive manufacturing and subjected to thermomechanical post-processing

Comunicación presentada en: 5th Iberian Conference on Structural Integrity que corresponde con el 38 Congreso del Grupo Español de Fractura GEF2022 celebrado en Coimbra, Portugal del 30 de marzo al 1 de abril de 2022La Fabricación Aditiva permite la producción optimizada de geometrías complejas. Las propiedades de tracción entallada de la aleación Ti-6Al-4V se estudian numéricamente en este trabajo considerando el método de Selective Laser Melting (SLM) y diferentes condiciones de post-proceso. La formación de una capa frágil enriquecida con oxígeno o “alpha case” también se reproduce aquí para atmósferas no inertes aprovechando esquemas numéricos para el agrietamiento asistido por hidrógeno. La reducción local de la energía de fractura en función de la concentración de oxígeno se implementa en un modelo de Phase Field para la nucleación y propagación de grietas. Se modelizan diferentes probetas de tracción entallada en Comsol Multiphysics. El análisis es secuencial: la entrada y difusión de oxígeno se simulan para diferentes temperaturas y tiempos de permanencia, reproduciendo procesos típicos de SLM y HIP y diferentes presiones parciales de oxígeno. En un segundo paso, se simula el ensayo mecánico de tracción y se resuelve el problema de Phase Field considerando una reducción lineal de la tenacidad a fractura en función de la concentración de oxígeno. Se evalúan los efectos del valor de la longitud característica y del comportamiento plástico. Los resultados muestran que el marco numérico actual, después de una necesaria calibración de parámetros, es capaz de predecir la influencia del post-proceso termomecánico en la fractura de componentes entallados.Additive Manufacturing enables cost-effective production of complex geometries. Notched tensile properties of Ti-6Al4V alloy are here numerically studied considering the Selective Laser Melting (SLM) method and different postprocessing conditions. The formation of an oxygen-enriched brittle layer or an “alpha case” in Ti-6Al-4V is also reproduced for non-inert atmospheres. Exploiting other Finite Element frameworks for environmentally assisted cracking, e.g. hydrogen embrittlement models, the local reduction of fracture energy as a function of oxygen concentration is implemented in a Phase Field model for crack nucleation and propagation. Different notched tensile specimens are modelled in Comsol Multiphysics. The analysis is sequential: oxygen uptake and diffusion are simulated for different temperatures and dwell times, reproducing typical SLM and HIP processes and different partial pressures of oxygen. In a second step, mechanical tensile testing is simulated, and the damage Phase Field scheme is solved considering a linear reduction of fracture toughness as a function of oxygen concentration. The effects of the characteristic length value and of plastic behaviour are evaluated. Results show that the present framework, after parameter calibration, is able to predict the influence of thermomechanical post-processing on notch fracture.The authors gratefully acknowledge financial support from the Junta of Castile and Leon through grant BU002-P20, co-financed by FEDER funds

Artículos de los proyectos de grado realizados por los estudiantes de ingeniería mecánica que se graduaron en el 2006

This document presents the articles of the final year undergraduate of the Department of Mechanical Engineering at EAFIT University in 2006. Each article contains information about the area of interest (Design of Technical Systems, Industrial Maintenance and Projects of Technical Systems), the main adviser, institution who benefited from the project and the Spanish and English summary with key words in English and Spanish. Some of the articles are included in their full length version.The originality and the pertinence of the articles convert them into a bibliographical valuable material for the engineering and especially for the mechanical engineering community. Each one of articles represents a particular view into a new practice of the mechanical engineering in Colombia and the world.Este documento presenta la relación de los artículos de los proyectos de grado de la carrera de Ingeniería Mecánica de la Universidad EAFIT en el año 2006. La información de cada artículo, contiene el área de énfasis (Diseño en Sistemas Técnicos, Mantenimiento Industrial y Proyectos de Sistemas Técnicos), el asesor principal del trabajo de grado, el sector beneficiado, el resumen en español y en inglés con las palabras claves en los dos idiomas y los resultados del trabajo de grado.La originalidad y pertinencia de los artículos los convierten en un material bibliográfico valioso para la ingeniería y en especial para la ingeniería mecánica. Cada uno de los artículos representa un punto de vista particular en la nueva práctica de la ingeniería mecánica en Colombia y en el mundo

Micro-mechanical testing of afvanced ceramics: tools, procedures and first results

Micro-mechanical testing has lately become a more accessible tool for understanding deformation, strengthening and failure mechanisms at small scales. It has been found that the often considered intrinsic or “intensive” properties of materials, i.e. not size dependent, start to exhibit an extrinsic behaviour if the volume of material tested is reduced down to the level of the micro- or nano-scale. This is true at least for metals, where diverse experimental approaches have shown that the ultimate strength strongly increases in enough small material volumes in the micro-nano range. In ceramics, the small scale testing approach has received much less attention probably because of the absence of dislocation-controlled deformation mechanisms. Even though, it is the only direct method for the study of the mechanical behaviour of ceramics in thin coatings, superficial layers induced by surface degradation processes as in wear, corrosion, etc. Besides, in ceramics with a grain size dependent transformation toughening mechanism, such as zirconia-based ceramics, a clear effect is expected when testing at the micro-scale. In this work the methodology of micro-mechanical testing is presented and is applied to yttria-stabilized zirconia. Advantages and limitations of the technique are discussed and details about the combination of FIB-machining and nanoindentation testing are illustrated. At the same time, first results of the strength in compression of zirconia micropillars are presented and the failure mechanism is discussed.Postprint (published version