Experimental and computational micromechanics of fibre-reinforced polymer composites at high strain rates
- Autores: Mario Rueda Ruiz
- Directores de la Tesis: Jon Mikel Molina Aldareguia (dir. tes.), Benjamin David Beake (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Estructuras, Cimentaciones y Materiales por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
Los materiales compuestos de matriz polimérica y refuerzo de fibra son en la actualidad el material preferente en aplicaciones que requieren altas prestaciones estructurales y bajo peso. Sin embargo, hay aplicaciones donde los materiales compuestos no han alcanzado todavía todo su potencial, como por ejemplo en componentes sujetos a cargas de impacto, que es una solicitación típica en las industrias aeronáutica y de automoción. Esto se debe al escaso conocimiento que hay sobre su comportamiento dinámico y a la falta de métodos de análisis precisos. En este contexto, este trabajo propone el uso de una estrategia de simulación multiescala basada en micromecánica computacional para estudiar el efecto que la velocidad de deformación tiene en la iniciación del daño en una lámina de material compuesto. Los ensayos virtuales basados en modelado multiescala abajo-arriba tienen como objetivo la reducción del coste de las campañas de certificación a través de simulaciones de alta fidelidad que complementan los experimentos en todos los niveles de la pirámide de ensayos. Este trabajo es una extensión del estado del arte de este tipo de estrategias de simulación hacia el rango de las altas velocidades de deformación.
Una de las singularidades de la estrategia de simulación multiescala propuesta es el uso de ensayos micromecánicos para la caracterización in situ de la matriz y la intercara, que se realizan mediante nanoindentación instrumentada. Por ello, el primer paso en este trabajo ha consistido en el desarrollo de una nueva técnica de ensayo micromecánica para extraer las propiedades de los constituyentes del material compuesto en un rango amplio de velocidades de deformación. Se ha modificado un nanoindentador comercial con la capacidad de realizar ensayos de impacto en la nano-/micro-escala para añadir la capacidad de medir la fuerza durante el ensayo. Esto ha posibilitado la determinación de curvas de fuerza-desplazamiento, que es el resultado principal de un ensayo de nanoindentación, en un amplio rango de velocidades de indentación. En paralelo, se propone un análisis inverso basado en el método de elementos finitos para transformar la respuesta directa del ensayo combinado de nanoindentación y nanoimpacto en parámetros de material necesarios para la calibración del modelo constitutivo de la matriz. El análisis inverso se ha validado en materiales convencionales (cobre y PMMA) para los que existe un conocimiento amplio sobre el comportamiento mecánico a altas velocidades de deformación. Las predicciones del análisis se corresponden adecuadamente con los resultados esperados. Sin embargo, se encontró que las predicciones en el caso de las matrices de los dos materiales compuestos estudiados (IM7-8552 e IM7-M91) se desvían significativamente de los resultados macroscópicos. Por ello, se ha propuesto una técnica adicional para la caracterización de la matriz, el ensayo de compresión de micropilares. Estos ensayos han proporcionado valores precisos del esfuerzo de fluencia en compresión en un rango amplio de velocidades de deformación (0.001 - 100 1/s) que están de acuerdo con los resultados obtenidos en la macroescala. Adicionalmente, se ha comprobado que la nueva configuración experimental permite la realización de ensayos de push-in de la intercara fibra-matriz a velocidades de impacto, si bien se ha constatado que es necesario mejorar el sistema de adquisición de datos para obtener resultados libres de ruido experimental.
Los resultados de los ensayos micromecánicos, complementados con ensayos en la macroescala y valores de literatura, se han usado para calibrar los modelos de material de una herramienta de simulación basada en micromecánica computacional que emplea un volumen representativo para representar la lámina del material compuesto. La curva de esfuerzo-deformación simulada de la lámina se ha obtenido para dos modos de deformación dominados por la matriz, compresión transversal y cortadura plana, en un rango amplio de velocidades de deformación y se ha comparado con resultados de ensayos en la macroescala. Las predicciones de las simulaciones están de acuerdo con los experimentos. Además, la comparación ha revelado un cambio en el mecanismo de fallo con la velocidad de deformación. A bajas velocidades, el inicio del daño está controlado por el efecto combinado del fallo de la intercara fibra-matriz y la deformación plástica de la resina. A altas velocidades, la deformación plástica de la resina es la principal causa de iniciación del daño.
