Multiscale characterization and modelling of polyurethane foams
- Autores: Mohammad Marvi Mashhadi
- Directores de la Tesis: Javier Llorca Martínez (dir. tes.), Claudio Saul Lopes (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Carlos González Martínez (presid.), Álvaro Ridruejo (secret.), Pedro Alberto Poza Gómez (voc.), Andreas Daiss (voc.), Alicia Salazar (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Estructuras, Cimentaciones y Materiales por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
En esta tesis doctoral se ha desarrollado una estrategia de modelizacio´n para estudiar el comportamiento mec´anico de espumas r´ıgidas de Poliuretano (PU) abiertas y cerradas basada en caracterizacio´n multiescala y en la homogenizaci´on num´erica.
La caracterizaci´on de las propiedades meca´nicas a nivel microsc´opico y macros co´pico se realizo´ en cuatro espumas r´ıgidas de PU con diferente densidad y mi croestructura. La microestructura de las espumas se estudi´o mediante microscop´ıa electro´nica de barrido y tomograf´ıa de rayos X para medir la distribuci´on de taman˜os de las celdas, la forma de las celdas y de la aristas as´ı como el espesor de las paredes de las celdas. Adema´s, el m´odulo de elasticidad del PU en la espuma se determino´ mediante ensayos de fluencia a temperatura ambiente en un nanoin dentador con una punta esf´erica mientras que el l´ımite ela´stico en compresi´on del PU dentro de la espuma se midio´ mediante ensayos de nanoindentaci´on con una punta Berkovich. Se llevaron a cabo ensayos mec´anicos de compresi´on, traccio´n, cortante sobre probetas macrosco´picas para medir la influencia de la densidad y de la anisotrop´ıa en las propiedades mec´anicas.
La informaci´on obtenida mediante la caracterizacio´n microestructural se uso´ para construir volu´menes representativos de la microestructura de las espumas.
Esta tarea se llev´o a cabo mediante la teselacio´n de Laguerre del espacio a partir de una distribucio´n compacta de esferas cuya distribuci´on de taman˜os segu´ıa la distribucio´n de taman˜os de las celdas en la espuma. Los poliedros resultantes de la teselaci’on son is´otropos y se introdujo la anisotrop´ıa aplicando una deformacio´n af´ın a todas las celdas. Las caras y las aristas de los poliedros, que representan las paredes y las aristas de las celdas en la espuma, se discretizaron con elemen tos de placa y de viga, respectivamente. Se tuvo especial cuidado para que los volu´menes representativos fueran un fiel reflejo de las principales caracter´ısticas microestructurales de las espumas (densidad, distribuci´on del taman˜o de las cel das, anisotrop´ıa, espesor de las paredes, forma de las aristas, etc.).
Las propiedades meca´nicas de las espumas en compresi´on se calcularon me diante el ana´lisis por elementos finitos de los volu´menes representativos de la mi croestructura. Las propiedades meca´nicas del PU se obtuvieron de los resultados de los ensayos de nanoindentaci´on. La mayor´ıa de las simulaciones num´ericas se realizaron hasta el comienzo de la inestabilidad pla´stica para determinar el modulo de elasticidad y la tensi´on cr´ıtica para provocar la instabilidad. Los resultados de las simulaciones se ajustar´on a las valores experimentales and fueron capaces de predecir la enorme influencia de la anisotrop´ıa de las celdas en las propiedades meca´nicas de las espumas. En particular, las espumas comprimidas en la direccio´n de la dimensi´on mayor de las celdas presentaron valores mucho mas elevados del mo´dulo de elasticidad y de la tensi´on cr´ıtica para la inestabilidad que las espumas defomadas en la direcci´on perpendicular. El ana´lisis de los micromecanismos de deformaci´on en los volu´menes representativos demostro´ que la inestabilidad pla´s tica se origina como consecuencia del pandeo pl´astico de la aristas de las celdas en una seccio´n localizada de la espuma. Adema´s, las diferencias en el comportamiento meca´nico en las direcciones perpendiculares de las espumas aniso´tropas est´an cau sadas por un cambio en el mecanismo dominante de deformaci´on de las aristas de las celdas: de deformacio´n axial cuando la espuma se deforma en la direccio´n del eje mas largo de las celdas a flexio´n en la direccio´n perpendicular. Adem´as, se ha demostrado la capacidad de la estrategia de simulacio´n para modelizar el compor tamiento mec´anico de las espumas en compresi´on hasta grandes deformaciiones, incluyendo el efecto de la densificaci´on.
Finalmente, se llev´o cabo un estudio param´etrico de la influencia de los factores microestructurales en el mo´dulo de elasticidad y en la tensio´n cr´ıtica de inestabil idad durante la deformacio´n en compresio´n de las espumas. Los resultados del estudio demostraron que los para´metros microestructurales que controlan el com portamiento mec´anico de las espumas son la densidad relativa, la fracci´on de masa en las paredes y en las aristas, y el factor de forma de las celdas. Esta informaci´on se utiliz´o para construir modelos anal´ıticos sencillos que son capaces de predecir el mo´dulo de elasticidad y al tensio´n cr´ıtica de inestabilidad en espumas abiertas o cerradas con densidades relativas en el intervalo 0.025 a 0.2.
