Modelling the compaction of composite materials with ultrasonic vibrations

Texto completo descargado desde TeseoLos sistemas usuales de fabricación de materiales compuestos, especialmente aquellos empleados en la industria aeronáutica, conllevan un gran número de procesos secundarios, la mayoría de ellos no automatizados. Por esta razón, unido a los largos tiempos necesarios para el curado de las resinas, el tiempo total de estos procesos resulta muy elevado, así como el coste final de las piezas fabricadas. De este modo, la industria busca nuevos sistemas que resuelvan estos inconvenientes. Una opción es la integración de los sistemas de apilado, compactación y curado en un solo equipo, consiguiendo, de este modo, una automatización completa del proceso, reduciendo sus costes y tiempos de operación. Con el fin de integrar un sistema de compactación que consiga eliminar el aire ocluido entre las láminas de material compuesto a medida que éstas se van depositando, se ha desarrollado el sistema de compactación por ultrasonidos. En este sistema, se hace vibrar a frecuencias ultrasónicas un cilindro de presión sobre el laminado, haciendo que el movimiento se transmita a cada una de las láminas que forman dicho laminado. Debido a la viscosidad interna de la resina, el movimiento oscilatorio consigue que se genere calor, elevando de este modo la temperatura del material compuesto. Dicho incremento de temperatura disminuye la viscosidad de la resina, ayudando de este modo a que las burbujas de aire atrapadas entre las capas salgan hacia afuera del laminado. El objetivo de esta Tesis es el modelado de la generación y distribución del calor dentro de la resina en laminados de material compuesto sometidos a vibraciones ultrasónicas. Para ello, inicialmente se ha hecho un estudio en profundidad sobre el funcionamiento del proceso de compactación y se han mostrado algunos resultados experimentales relevantes. A continuación, se han hecho estudios preliminares sobre la distribución del calor y la posibilidad de que se produzca el curado de la resina durante la compactación. Estos estudios han permitido desarrollar un modelo termo-mecánico que ha dado lugar a la obtención de las ecuaciones que gobiernan la generación de calor en la resina cuando se somete a un laminado a vibraciones ultrasónicas. Con el fin de estudiar el campo de temperaturas en el laminado, se han desarrollado varios modelos en los que se han llevado a cabo diferentes aproximaciones a la ecuación del calor. Inicialmente se ha planteado un modelo semi-analítico que, a pesar de que recoge cualitativamente bien el comportamiento de la evolución de la temperatura durante el proceso de compactación, debido a las aproximaciones que conlleva, no es capaz de dar valores exactos de la solución. A continuación, se ha optado por un modelo de elementos finitos implementado en un software comercial. En este caso, dada la complejidad del problema en estudio, los resultados son prometedores pero muy costosos computacionalmente hablando. Finalmente, se ha optado por un nuevo enfoque de la solución, resolviendo el problema con la técnica de la descomposición generalizada en modos propios (PGD). Mediante el uso de la PGD, a través de la descomposición del campo térmico en sumas de productos de funciones de las variables de las que depende, se ha conseguido resolver el problema de forma satisfactoria en tiempos de computación pequeños. El resultado obtenido se ha comparado con resultados experimentales, obteniéndose que el modelo es capaz de predecir con exactitud la evolución real de la temperatura. Finalmente, se ha desarrollado un modelo que permite obtener la evolución de la temperatura cuando el compactador ultrasónico se mueve a lo largo del laminado. Con el fin de analizar el proceso, se ha realizado un estudio paramétrico con las principales variables del problema (velocidad de desplazamiento horizontal del compactador ultrasónico, amplitud y frecuencia de la vibración y ángulo del sonotrodo), comprobándose que la sensibilidad del proceso a dichos parámetros es baja

Teaching innovation in Engineering: a students and teachers´ learning integration programme

Este trabajo presenta una experiencia de innovación docente cuyo objetivo es mejorar el aprendizaje de alumnos y profesores de ingeniería (Universidad de Sevilla, España). La innovación ofrece a los alumnos una visión realista, profesional y actualizada de los contenidos, permitiéndoles el contacto directo con la problemática del conocimiento y la competencia propios de una materia, usando instalaciones y recursos de un laboratorio de investigación de alto nivel tecnológico. Es un estudio de caso de investigación evaluativa, utilizando metodología cuantitativa y cualitativa. Los resultados indican mejora en los procesos de aprendizaje de los alumnos y su alta satisfacción, señalando también las dificultades encontradas; los profesores, reconocen el proceso de innovación como estrategia para aprender a enseñar y generar mejoras del programa.This paper presents an experience in teaching innovation whose goal is to improve learning in engineering students and teachers (University of Seville, Spain). This innovation offers students a realistic, professional and updated vision of the contents, allowing them a direct contact with the problems posed by the knowledge and competence inherent to a subject, using facilities and resources at a high-tech research laboratory. It is an assessment-research case study that uses quantitative and qualitative methodologies. The results show improvement in the students’ learning processes as well as their high satisfaction; it also highlights the difficulties found. The teachers acknowledge this innovation process as a strategy to learn to teach and create improvements for the program

Evaluation of the interlaminar fracture toughness on composite materials using DCB test on symmetric and unsymmetric configurations

A procedure to measure the interlaminar fracture toughness of a composite material is proposed in this work. This property is evaluated using the DCB test, the new formulation developed being applicable to small thicknesses and nonsymmetric configurations. The GC evaluation proposed in this paper does not require to know the evolution of the crack length with the load. This fact facilitates the performance of the test and allows complex situations (crack jumps, tests at high temperature,…) to be taken under consideration. An experimental campaign has been carried out on four different configurations, three symmetric (2 + 2, 4 + 4 and 8 + 8 layers) and one nonsymmetric (4 + 8 layers). The results show that, when they are appropriately treated, the values obtained are independent of the number of layers of the adherents and even of the symmetry of the joint, validating the use of the DCB test on nonstandardized coupons.Junta de Andalucía - Consejería de Economía y Conocimiento P18-FR-3855, P18-FR-336

A modified Brazilian test for the generalized-fracturetoughness determination in multimaterial corners. Numerical and experimental results

IX CONGRESO NACIONAL DE MATERIALES COMPUESTOS. Celebrado en Girona, 5, 6, 7 y 8 de julio de 2011In the present work, a general procedure for the experimental evaluation of the generalized fracture toughness in multimaterial corners is defined. The proposed method is suitable for closed corners (all material wedges being bonded) having two singular terms in the asymptotic stress representation at the corner tip. For a particular corner configuration, the method finds the load configuration at which one of the singular terms vanishes, thus the main stress contribution being controlled by the other non-vanishing singular term. The experimental test, until failure, using the previously defined load configuration allows the generalized fracture toughness associated to each singular term to be evaluated. The whole procedure has been applied to a bimaterial CFRP-Adhesive bimaterial corner and the generalized fracture toughness values have been obtained. The testing of mixed modes has permitted a failure envelope based on the generalized fracture toughness values at the corner tip to be defined. Previously published results, with different geometries, but involving the same corner, have shown that the failure envelope can predict accurately the failure initiation at these corners.Junta de Andalucía y Fondo Social Europeo P08-TEP-4071Junta de Andalucía y Fondo Social Europeo P08-TEP-4051Ministerio de Ciencia e Innovación MAT2009-14022CAPES Ministerio de Educación de Brasi

Estudio experimental de placas preconformadas en postpandeo

XI CONGRESO NACIONAL DE MATERIALES COMPUESTOS. Celebrado en Móstoles los días 6, 7 y 8 de julio de 2015El pandeo de placas y láminas no necesariamente está asociado al colapso, que en ocasiones se produce para una carga que es varias veces superior. No obstante, aprovechar esta capacidad postpandeo no es fácil, siendo el principal inconveniente la extremada sensibilidad del problema ante imperfecciones de la geometría y las condiciones de sustentación y de cargas. En este trabajo se muestran los primeros resultados de un análisis de la evolución en postpandeo de placas de material compuesto en las que, intencionadamente, se han introducido imperfecciones iniciales.Junta de Andalucía TEP-7093Ministerio de Economía y Competitividad DPI2012-3718

Modelling ultrasonic debulking of tape lamination

COMATCOMP 09 : Donostia - San Sebastian, 7, 8 y 9 de octubre de 2009A numerical model is presented, which has been developed to study the quality of the ultrasonic debulking of a composite laminate. The quality of the debulking level will depend, primarily, of the temperature raised in the laminate. For that reason, the evolution in time of the temperature inside the composite laminate has been studied. To this end, a thermal model has been developed which leads to the determination of the temperature inside the laminate from the values of the temperature at the tip of the ultrasonic horn. To validate the model, the numerical results have been compared with experimental measurements in a particular case

Study of the effect of frequency on composite laminates under uniaxial fatigue loads

X CONGRESO NACIONAL DE MATERIALES COMPUESTOS. Celebrado en Algeciras los días 2, 3, 4 y 5 de julio de 2013Composites are nowadays widely used in primary structures. For safety reasons, the characterization of these materials under fatigue loads is being a very important task. The main advances in this field have been made in glass fiber composites, due to their use in turbine blades, where the fatigue is a crucial factor. The characterization of a unidirectional carbon fibre composite material under fatigue loads is presented in this paper. The objective of the study is to obtain the S-N curve of the material at several frequencies and for different fibre orientation angles. For this purpose, fatigue tests under tension-tension at 0, 15 and 45 degrees for several frequencies (10Hz, 15Hz and 18Hz) have been carried out.Junta de Andalucía P08-TEP-4071Fondo Social Europeo P08-TEP-407

Predicción de fallo en laminados no convencionales: Estudio experimental

XI CONGRESO NACIONAL DE MATERIALES COMPUESTOS. Celebrado en Móstoles los días 6, 7 y 8 de julio de 2015Desde el inicio del uso de los materiales compuestos, han ido surgiendo distintas teorías para predecir su comportamiento y lo que es más importante, el fallo del material. Mientras que las predicciones parecen fiables en fallos dominados por la fibra no son tanto en fallos dominados por la matriz. En este trabajo se analiza el comportamiento experimental de laminados en los que el fallo dominante es el fallo por la matriz y se comparan los resultados con las predicciones, tanto en fallo a primera como a última lámina, que generan los criterios de fallo más utilizados. En todos los casos se ha incluido el estudio del efecto del espesor de las láminas, conocido como efecto escala, para ver su incidencia en la rotura de los laminados y en las correspondientes predicciones. Se ha constatado que en laminados dominados por el fallo de la matriz, las predicciones no son buenas, existiendo además una significativa incidencia del efecto escala, con una clara interacción entre láminas. Ambos problemas se mitigan cuando se usa un laminado cuyo fallo está dominado por la rotura de la fibra

Influence on engineering students of a process integration model in practical classes

En el presente trabajo se estudia la repercusión en el alumnado y el profesorado novel del desarrollo de un Proyecto de Innovación de clases prácticas. Éste integra diferentes tareas y objetivos formativos (actividades propuestas incluidas en el proyecto docente) en la asignatura “Mecánica de los Materiales Compuestos”. Esta actividad se ha desarrollado en la Titulación de Ingeniería Aeronáutica impartida en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ETSI), de la Universidad de Sevilla en el curso 2011-2012. En ella se pretendía que los alumnos adquirieran una visión realista de los contenidos estudiados en la teoría y entraran en contacto directo con ellos a través de las instalaciones y recursos de un laboratorio de investigación de alto nivel tecnológico. Además, se buscó ampliar el conocimiento de los alumnos al realizar tareas que forman parte del proceso de producción de los materiales compuestos, tal como se hace en la industria aeronáutica. El Proyecto se centra en las actividades por las que aprenden los estudiantes, pero también pretende ser un medio de aprendizaje de los profesores sobre la enseñanza. Por ello se planifica en equipo (dos profesores expertos, responsables de la enseñanza teórica, y dos profesores noveles, responsables de las prácticas). En este artículo se presenta la experiencia docente tal como fue planificada y desarrollada, y los resultados de la evaluación obtenidos con distintas técnicas que tienen en cuenta a los profesores, y a los alumnos. Se utiliza la evaluación como elemento imprescindible de la mejora del programa y de la acción docente.The influence of developing an Innovation Programme in Practical classes, on the students and the novice teachers, is studied in the present work. This programme integrates different tasks and formative objectives (included in the proposed activities in the learning programme) and has been J. Justo, L. Távara, J.C. Marín, F. París. Influencia en los estudiantes de ingeniería de un… 66 carried out in the subject “Mechanics of composite materials”, in the degree of Aeronautics engineering of University of Seville during the academic year 2011-2012. In the activity the students obtained a realistic vision of the contents studied in the theoretical classes and were in direct contact with them using the facilities and resources of a laboratory with high technological level. The knowledge of the students were also increased by doing tasks related with the production of composite materials parts, just as done in the Aeronautic industry. The programme is focused on the activities where the students learn, and also tries to be a way of improvement of how to teach for the novice teachers. This is the reason why the activity has been planned in teams (two expert teachers, responsible of the theoretical classes, and two novice teachers, responsible of the practical classes). In this paper we present the teaching experience as planned and developed. The results obtained in the evaluation, with several techniques that take into account the teachers and the students, are also shown. The evaluation is used as an essential element in the improvement of the learning programme and the teaching actio

Comparación experimental de la tenacidad a fractura transversal de laminados unidireccionales correspondientes al crecimiento longitudinal o transversal de grietas

XI CONGRESO NACIONAL DE MATERIALES COMPUESTOS. Celebrado en Móstoles los días 6, 7 y 8 de julio de 2015El objetivo del trabajo es determinar y comparar, en laminados unidireccionales, las tenacidades a fractura transversal correspondientes a dos direcciones de crecimiento de grieta, paralela (GIcpar) y perpendicular (GIcperp) a las fibras. Con este propósito, se han diseñado y fabricado dos tipos de probetas para el ensayo de flexión a tres y cuatro puntos, con dimensiones iguales pero con distintas orientaciones de fibras con respecto a la grieta inicial. La principal dificultad encontrada durante la fabricación ha sido la generación de grietas. En este artículo se describen las diferentes técnicas implementadas para la generación de las grietas y los problemas encontrados. Los resultados muestran que los valores de la tenacidad para ambas direcciones de propagación son cercanos, detectándose un valor ligeramente más alto cuando la dirección de propagación es paralela a la fibra.Ministerio de Educación FPU 2009/3968Ministerio de Ciencia e Innovación MAT2009-14022Ministerio de Economía y Competitividad MAT2012-37387Fondo Europeo de Desarrollo Regional MAT2012-37387Junta de Andalucía P08- TEP-4051Fondo Social Europeo P08- TEP-405