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

Cargas críticas de pandeo de columnas fisuradas

El presente trabajo tiene por objeto realizar un análisis de la carga crítica de pandeo de columnas sometidas a diversas condiciones de sustentación. A su vez, se estudiarán los efectos de la presencia de una fisura en la columna sobre dicha carga crítica en función de su tamaño y posición. Actualmente, el cálculo de dicha carga crítica por medio de programas comerciales que aplican el método de elementos finitos requiere un gran número de elementos por barra para conseguir suficiente precisión en los resultados. Para evitar esto se propone un método alternativo de cálculo más sencillo, que requiere del uso de programación en MATLAB o Mathematica. El trabajo ha sido estructurado en dos partes diferenciadas en función del tipo de columna a estudiar, con o sin fisura. En la primera parte, se analizarán columnas no fisuradas. Para ello, se utilizará el planteamiento diferencial para calcular la carga crítica de pandeo de columnas con sección y rigidez constantes. A continuación, se realizarán de nuevo los cálculos por medio del método energético. Éste permitirá, además, calcular la carga crítica de pandeo para columnas cuya sección es variable. Se compararán los resultados obtenidos por medio del planteamiento diferencial con los valores de la carga crítica ya existentes en la bibliografía. Tomando como referencia los mismos, se comprobará la validez del método energético para columnas no fisuradas con sección constante y variable. En la segunda parte, se analizarán los efectos de una fisura sobre las columnas estudiadas anteriormente. De nuevo, se calculará la carga crítica de pandeo a través del planteamiento diferencial y el método energético comparando los resultados obtenidos en ambos casos. Para ello, se analizarán diferentes posiciones y profundidades de la fisura y se determinarán las consecuencias que provocan sobre la carga crítica de pandeo.Ingeniería Mecánic

Influence of the cohesive law shape on the composite adhesively-bonded patch repair behaviour

In this study, the cohesive failure of the adhesive layer of an adhesively-bonded joint under uniaxial tensile loads in static conditions is discussed as an approximation to the behaviour of adhesively-bonded repairs. A three-dimensional finite-element model of a single-lap joint was developed using the commercial code Abaqus. Cohesive Zone Models (CZM) coupled to Finite Element Analysis, were used to study the failure strength of the joint. They allowed the prediction of the initiation of the crack and its growth. CZM are governed by a traction-separation law, which can acquire different shapes. The numerical model, considering a linear cohesive law, was validated with 2D numerical and experimental results available in the literature. The effect of different cohesive law shapes, such as exponential and trapezoidal, on the failure load of the joint was studied. In addition, a cohesive parametric analysis was performed, varying the adhesive toughness and cohesive strength. The most suitable cohesive law was the trapezoidal, since the failure load results were close to the experimental data taken from the literature. The cohesive strength is identified as the most influential parameter on the studied variable.The authors are indebted for the financial support of this work to the Ministry of Economy and Competitiveness of Spain (project DPI2013 42240 R)

Evaluation of the geometry of single-lap adhesive joints in composite laminates

In this work, the influence of geometry on the mechanical behaviour of single-lap adhesive joints has been analysed in order to evaluate its mechanical behaviour. Four configurations have been studied and compared: 1) single-lap joint, 2) adherends chamfering, 3) adhesive chamfering, and 4) adhesive and adherends chamfering. A 2D finite-element model has been developed using Abaqus/Standard, in which the adhesive behaviour has been defined by a Cohesive Zone Model (CZM). The analysis has been carried out in terms of failure load, peak peel stress, and peel stress distributionThe authors are indebted for the financial support of this work to the Ministry of Economy and Competitiveness of Spain (project DPI2013-42240-R)

Influencia de la geometría de adherentes y adhesivo en el comportamiento de uniones adhesivas a solape simple en laminados

Proceeding of: MATCOMP15: XI Congreso Nacional de Materiales Compuestos, Móstoles (Madrid), 6, 7 y 8 de julio de 2015En las uniones adhesivas de materiales compuestos la transferencia de carga y la concentración de tensiones entre los adherentes y el adhesivo, son aspectos fundamentales a estudiar. En este trabajo se ha desarrollado un modelo numérico 2D, mediante el código de elementos finitos Abaqus/Standard, que permite estudiar uniones adhesivas a solape simple de laminados de cinta sometidos a cargas en el plano. La unión adhesivo-adherente se ha modelizado mediante el uso de elementos cohesivos, que permiten evaluar la degradación del adhesivo durante la aplicación de la carga. El modelo se ha validado comparando sus resultados con datos de carga de rotura tomados de la literatura científica. Tras la validación se ha evaluado la influencia de la variación de la geometría de los adherentes y adhesivos en el comportamiento de la unión. Se analizarán parámetros tales como la longitud de solape, el espesor del adhesivo, el escalonado del adherente y el ángulo de biselado de los adherentes y adhesivos.Se agradece la financiación recibida para el desarrollo de este trabajo del Ministerio de Economía y Finanzas de España en el marco del proyecto DPI2013-42240-R

Clonal chromosomal mosaicism and loss of chromosome Y in elderly men increase vulnerability for SARS-CoV-2

The pandemic caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2, COVID-19) had an estimated overall case fatality ratio of 1.38% (pre-vaccination), being 53% higher in males and increasing exponentially with age. Among 9578 individuals diagnosed with COVID-19 in the SCOURGE study, we found 133 cases (1.42%) with detectable clonal mosaicism for chromosome alterations (mCA) and 226 males (5.08%) with acquired loss of chromosome Y (LOY). Individuals with clonal mosaic events (mCA and/or LOY) showed a 54% increase in the risk of COVID-19 lethality. LOY is associated with transcriptomic biomarkers of immune dysfunction, pro-coagulation activity and cardiovascular risk. Interferon-induced genes involved in the initial immune response to SARS-CoV-2 are also down-regulated in LOY. Thus, mCA and LOY underlie at least part of the sex-biased severity and mortality of COVID-19 in aging patients. Given its potential therapeutic and prognostic relevance, evaluation of clonal mosaicism should be implemented as biomarker of COVID-19 severity in elderly people. Among 9578 individuals diagnosed with COVID-19 in the SCOURGE study, individuals with clonal mosaic events (clonal mosaicism for chromosome alterations and/or loss of chromosome Y) showed an increased risk of COVID-19 lethality

Compressive deformation and energy-absorption capability of aluminium honeycomb core

In this study, the crush behaviour and the energy absorption capability of an aluminium honeycomb core is discussed. A three-dimensional finite-element model of a honeycomb-core structure was developed using the commercial code Abaqus. Flatwise and edgewise experimental compressive tests were made to validate the numerical model and good agreement was found between the experimental data and the numerical results. Virtual compressive tests varying the cell size, cell-wall thickness, and material properties were performed. The deformation mode, compressive core behaviour and its energyabsorption capacity were examined. The crushing parameters at in-plane directions were more affected by the variations of the characteristic core parameters; although, in general, increasing the cell-wall thickness and the yield stress of the aluminium alloy give higher crush loads, and therefore the absorbed energy increases. However, if the cell size increases, the energy-absorption capacity decreases. (C) 2017 Elsevier Ltd. All rights reserved

Analysis of the behaviour of adhesive composite repairs subjected to static loads

Comunicación en: XII Congreso Nacional de Materiales Compuestos (MATCOMP 2017), San Sebastián, 21-23 de junio de 2017Los elementos estructurales de una aeronave fabricados de materiales compuestos son susceptibles de sufrir daños durante su vida en servicio. Debido al alto nivel de integración y al gran tamaño de los componentes estructurales, la sustitución completa de los componentes dañados no siempre es viable, por lo que la reparación puede suponer un gran ahorro tanto desde el punto de vista económico como temporal. Dado que las reparaciones adhesivas pueden ofrecer ciertas ventajas con respecto a las mecánicas, existe un gran interés por aumentar el conocimiento sobre su comportamiento frente a las distintas cargas estáticas a las que va a estar sometido en su vida en servicio, el cúal depende de un gran número de parámetros. En este trabajo se ha desarrollado un modelo numérico de elementos finitos implementado en Abaqus/Explicit que permite analizar la respuesta mecánica de laminados reparados frente a cargas estáticas. Se ha validado experimentalmente, usándose posteriormente para realizar ensayos virtuales de probetas reparadas con parche doble sometidas a tracción estática, analizando los resultados de fuerza máxima y rigidez al variar el tamaño y la topología (rectangulares y circulares).Las autoras agradecen la financiación recibida para el desarrollo de este trabajo al Ministerio de Economía y Finanzas de España en el marco del proyecto DPI2013-42240-R

Effect of adhesive thickness and overlap on the behaviour of composite single-lap joints

The effect of adhesive thickness and adherent overlap on behavior of composite single-lap joints (SLJ) under tensile load is studied by using a 3D finite-element model. A bilinear Cohesive Zone Model (CZM) law is used to represent the adhesive behavior and its parameters are determined as a function of adhesive thickness by carrying out Double Cantilever Beam and End-Notched Flexure tests. The performance of SLJ is defined by peak load, maximum shear, and peel stresses. For the range of adhesive thicknesses considered, both maximum shear and peel stresses decrease with increasing adhesive thickness, while they increase with increasing overlap length