Development of efficient testing methods and cohesive zone models for analyzing fatigue-driven delamination in 3d laminated composite structures
- Autores: Laura Carreras Blasco
- Directores de la Tesis: Albert Turon Travesa (dir. tes.), Jordi Renart Canalias (codir. tes.), Brian Lau Verndal Bak (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Girona ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Pedro Ponces Camanho (presid.), Emilio Vicente González Juan (secret.), Frans van der Meer (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnología por la Universidad de Girona
- Materias:
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- Resumen
El objetivo general de esta tesis doctoral es contribuir al diseño fiable de estructuras de materiales compuestos en capas sometidas a deslaminación provocada por la fatiga. Por un lado, se pretende reducir la cantidad de pruebas experimentales necesarias en el proceso de diseño de componentes y, por otro, anticipar la respuesta mecánica de las estructuras que sufren deslaminación a fatiga.
A partir de una revisión de los métodos disponibles en la bibliografía, se detecta que la mayoría de ellos se limitan a aplicaciones en dos dimensiones (2D) o no han sido plenamente validados en tres dimensiones (3D). Con el fin de ampliar la aplicabilidad de los métodos existentes, se necesitan datos experimentales de propagación de la deslaminación en 3D y el desarrollo de nuevos métodos. En el caso del modelo que se toma como punto de partida de la presente tesis doctoral, se necesitan dos nuevos conceptos: un método eficaz de identificación de la dirección de propagación de grieta y un medio preciso de calcular la energía disponible para a la fractura en estructuras tridimensionales.
En el marco de los elementos cohesivos, la dirección de propagación se puede calcular como la dirección normal a las isolíneas de daño. No obstante, con el fin de trazar las isolíneas de daño, se requiere intercambiar información entre elementos vecinos y, por tanto, post procesar datos de forma global, que resulta computacionalmente caro. Se propone un enfoque nuevo para evaluar la dirección de crecimiento de grieta utilizando, sólo, la información disponible localmente a nivel de elemento. El método se puede implementar directamente en una subrutina de usuario de elementos finitos y ser evaluada durante la ejecución del análisis.
Por otra parte, el cálculo de la energía disponible para la fractura descompuesta en modos en problemas 3D que implican deslaminaciones, moldeadas utilizando un modelo de zona cohesiva, no se ha investigado previamente. La integral-J es un método adecuado para calcularla, ya que es independiente del dominio de integración y permite reducirlo a la interfaz cohesiva y, así, evaluar como una integral de línea. Se presenta un procedimiento numérico para evaluar la integral-J descompuesta en modos en frentes de deslaminación curvados. El criterio de dirección de crecimiento de grieta se utiliza para dibujar el camino de integración a lo largo de la zona cohesiva y descomponer la energía disponible para la fractura en modos.
El modelo de crecimiento del daño a fatiga se basa en el vínculo entre la velocidad crecimiento del daño y la velocidad de propagación de grieta. Por tanto, se necesitan herramientas eficientes para caracterizar las curvas de velocidad de propagación de grieta bajo diferentes condiciones de carga para alimentar el método numérico.
Las metodologías existentes para ensayos a fatiga en modo II basados en la configuración de ensayo a flexión con apoyo en tres puntos y entalla final (3-ENF) bajo condiciones de desplazamiento cíclico constante producen curvas discontinues de la velocidad de propagación de grieta. Por ello, se necesita ensayar un lote de varias probetas a diferentes severidades de carga para caracterizar completamente la curva de velocidad de propagación de grieta. Se presenta un procedimiento de ensayo basado en la aplicación de un desplazamiento cíclico variable que permite medir la velocidad de propagación de grieta para el rango deseado de severidades de carga usando una sola probeta. Con esta metodología, se evita la necesidad de intervenir durante el ensayo.
Finalmente, a fin de validar el modelo a fatiga, se ha diseñado una configuración de ensayo para obtener datos de propagación de la deslaminación en estructuras 3D. Se ha llevado a cabo una campaña experimental del ensayo validador. Además, se ha realizado una caracterización completa de las propiedades interlaminares del material validador a nivel de probeta. El método de fatiga desarrollado proporciona predicciones precisas para los ensayos de referencia.
