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On the compressive behaviour of woven CFRP laminates under high loading rate

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Publication date
2024-01
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2024-01-26
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En la industria aeronáutica, el rendimiento de los materiales compuestos ante un posible impacto es de gran interés en los últimos años. Aunque el efecto de la velocidad de deformación en materiales compuestos afecta significativamente el comportamiento mecánico, la mayoría de las investigaciones estudian este comportamiento sin tener en cuenta la dependencia de la velocidad de deformación en las propiedades mecánicas de dichos materiales. El presente estudio analiza la dependencia de la velocidad de deformación en el comportamiento durante un impacto de un laminado AS4-8552-AGP193-PW (también denominado AGP193-PW), compuesto de fibra de carbono con resina epoxi en configuración de tejido. Para ello, se realiza una caracterización de este material mediante ensayos de compresión a tres velocidades de deformación (hasta 500 s−1) y diferentes ángulos de orientación de las fibras para dibujar la envolvente de fallo. A continuación, se desarrolló un nuevo modelo constitutivo para implementar numéricamente el cambio en las propiedades mecánicas estudiadas del compuesto de tejido ante un cambio de la velocidad de deformación. Este modelo considera el comportamiento de cortadura no lineal, el inicio y la evolución del daño del material. Posteriormente, se estudió el efecto de orificios en muestras similares ensayadas a compresión a tres velocidades de deformación y diferentes ángulos de fibra, de igual manera que en los ensayos de caracterización. Además, se desarrolló un modelo de elementos finitos en Abaqus/Explicit para validar el comportamiento constitutivo propuesto, incluyendo una subrutina de usuario para programar el comportamiento del material. Las simulaciones numéricas predicen el comportamiento mecánico de las muestras con orificio bajo cargas cuasi-estáticas y dinámicas, donde se demuestra la importancia de implementar el efecto de la velocidad de deformación en las propiedades mecánicas. Finalmente, en este trabajo se ha estudiado el comportamiento ante impacto de laminados de AGP193-PW. Fragmentos de estos laminados fueron lanzados contra una barra Hopkinson con un rango amplio de velocidades de impacto (90-160 m/s). La metodología experimental desarrollada se ha mostrado como una forma efectiva de analizar los diferentes mecanismos de fallo durante el proceso de fractura cuando los fragmentos de compuesto tipo tejido actúan a modo de proyectil, proporcionando una mejor comprensión de su comportamiento físico. También se desarrolló un modelo de elementos finitos para simular los ensayos de impacto utilizando la subrutina de usuario de elemento sólido para programar el comportamiento del material compuesto. El modelo constitutivo se validó comparando las fuerzas e impulsos inducidos por los fragmentos en las pruebas experimentales y las simulaciones numéricas. Los modelos de elementos finitos también fueron esenciales para estudiar la influencia de las desviaciones en diferentes ejes de rotación ("yaw" y "pitch") del fragmento en la fuerza e impulso inducidos durante los impactos.
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Keywords
Composite materials, Strain rate effects, Split Hopkinson pressure bar, Open hole compression, Woven, CFRP Laminates, Numerical simulations
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