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Análisis del comportamiento de fragmentos de carbono/epoxi en régimen de impacto

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2017-06
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2017-06-06
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Actualmente, la industria aeronáutica busca la optimización de sus componentes estructurales, y una posibilidad de lograrlo es a través del empleo de materiales compuestos. Grandes compañías aeronáuticas utilizan cada vez en mayor proporción estos materiales en sus aeronaves e incluso, en un futuro, emplearán motores de rótor abierto con palas contrarrotatorias fabricadas con material compuesto. Estos motores reducen considerablemente el consumo, pero obligan a garantizar la protección del fuselaje del avión ante un posible impacto de un fragmento de material compuesto desprendido de las palas, por lo que es necesario estudiar el comportamiento de los materiales compuestos empleados impactando contra estructuras de similares características, como por ejemplo el fuselaje de un avión con un importante contenido de material compuesto en peso. Al emplear materiales compuestos, debido su baja resistencia a impactos fuera de su plano, uno de los principales análisis que se realizan durante el diseño de una estructura aeronáutica de material compuesto es el estudio de su comportamiento frente a impactos. Sin embargo, no existen estudios previos en los que el material compuesto sea el proyectil y no el objetivo. En esta tesis doctoral se ha analizado el impacto de fragmentos (rectangulares y con dos espesores y laminados diferentes) de material compuesto laminado contra una placa rígida, empleando tanto una metodología experimental como numérica. En ambos casos se ha analizado el proceso de impacto y los siguientes parámetros de importancia: la erosión producida en los fragmentos, la velocidad de los fragmentos durante el impacto, la fuerza producida por el impacto del fragmento y el impulso transmitido. Para realizar los impactos experimentales, se ha empleado un dispositivo neumático de impulsión que acelera los fragmentos contra la placa rígida; el proceso de impacto se ha grabado mediante tres cámaras de alta velocidad, permitiendo de esta forma comprobar que el impacto se produce de manera correcta, y el posterior análisis del mismo. Con los vídeos generados, se han obtenido los desplazamientos de los fragmentos para posteriormente obtener la fuerza de impacto producida. Los ensayos experimentales han permitido comprender los principales mecanismos de fallo que aparecen en los fragmentos y en todos ellos, se ha observado el fallo por compresión de la matriz y de las fibras, y además delaminación en las láminas más exteriores de los fragmentos. Los dos primeros mecanismos de fallo presentan mayor intensidad conforme aumenta la velocidad de impacto mientras que en las delaminaciones la tendencia es al contrario. Además de la metodología experimental, en esta tesis también se ha desarrollado una metodología numérica para reproducir el impacto de los fragmentos de material compuesto laminado. Dicha metodología ha sido validada mediante los ensayos experimentales. Las simulaciones numéricas se llevaron a cabo utilizando el software comercial de elementos finitos Abaqus Explicit v6.14. Para reproducir el comportamiento del material compuesto laminado de los fragmentos se ha desarrollado un modelo de daño continuo tridimensional para reproducir lo más fielmente posible el fallo intralaminar real, dicho modelo se ha implementado mediante una subrutina de usuario. El fallo interlaminar se ha tenido en cuenta en el modelo empleando una interacción cohesiva entre cada lámina de material. Atendiendo a la validación de la metodología numérica realizada, se ha comprobado que el modelo numérico desarrollado muestra una adecuada correlación con respecto a los parámetros observados en los ensayos experimentales. Respecto al modelo del material compuesto desarrollado en esta tesis, predice adecuadamente los fallos y el proceso de impacto de los ensayos experimentales.
Nowadays, the aeronautic industry seeks to optimize structural components due to the high requirements demanded to the air-crafts and the use of composite materials in aeronautic structures is a possibility to achieve it. Large aeronautical companies are increasing the use of these materials on their air-crafts and they will use in the future open rotor engines which have blades made of composite materials. These future engines are highly efficient but the use of them force to guarantee the protection of the fuselage of the air-planes before a possible impact of a composite material piece detached from the blades, hence it is necessary to study the behaviour of composite materials impacting against structures made of similar materials such as the fuselage of an air-plane When composites materials are used, due to their poor resistance to out of plane impacts, one of the main analysis that is carried out during the design of an aeronautic structure is the study of the behaviour of these materials against high velocity impacts. However, there are not previous studies in which the composite materials are the projectile and not the target of the impacts. In the present Ph.D. thesis it has been analysed the impact of composite material fragments (rectangular and with two different thickness and ply sequences) against a rigid sheet using both an experimental and numerical methodology. In both cases, it has been analysed the impact process and the following relevant parameters: the fragment erosion, the fragment velocity, the impact force and the transmitted impulse. To carry out the experimental tests it has been used a pneumatic launcher to impel the fragments against the rigid sheet; the impact process has been recorded with three high speed cameras which have allowed to verify that the impact occurred correctly and to analyse it. The fragments displacement has been obtained with the videos recorded in order to get the impact forces. The experimental tests have allowed to understand the main failure mechanisms that appear in the fragments and in all of them, it has been observed compression failure of the matrix and fibres as well as delamination in the outermost plies of the fragment laminate. The first two failure mechanisms present higher intensity as the speed of impact increases while the tendency in delamination is the opposite. In addition to the experimental methodology, it has also been developed a numerical methodology to reproduce the impact of composite material fragments. This methodology has been validated using the experimental tests. The numerical simulations have been carried out in the finite element commercial code Abaqus Explicit v6.14. To reproduce as closely as possible the real intra-laminar behaviour of the composite material it has been developed a three-dimensional continuum damage model. The inter-laminar failure has been taken into account by the use of one cohesive interaction between each ply of the fragment laminate. Considering the validation carried out, it has been shown that the numerical impact process and the numerical results have a correct agreement with the experimental ones. In relation to the continuum damage model developed, it reproduces correctly the failure mechanisms that appear in the composite fragments.
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Materiales compuestos, Ensayo de materiales, Resistencia frente a impacto, Mecánica de sólidos, Método de elementos finitos
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