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Comportamiento mecánico a flexión y tolerancia al daño de materiales compuestos de fibra de carbono en matriz epoxi a baja temperatura

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2002
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2002-07-23
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En esta tesis doctoral se ha estudiado el comportamiento mecánico a flexión y la tolerancia al daño de diferentes configuraciones de laminados de fibra de carbono y matriz epoxi, que son ampliamente empleados en componentes estructurales en las industrias aeronáutica y aerospacial. Se ha llevado a cabo un estudio experimental del comportamiento a flexión, mediante ensayos de flexión en tres puntos. Para analizar la influencia de la velocidad de deformación, estos ensayos se han realizado en condiciones estáticas y dinámicas. Como habitualmente las estructuras aerospaciales están sometidas, durante su vida en servicio, a bajas temperaturas, también se ha analizado la influencia de este último parámetro en la respuesta mecánica de estos laminados. La respuesta registrada en los ensayos de flexión dinámica presentó un ruido que enmascaraba las propiedades de los laminados en estudio. Se ha modelizado analítica y numéricamente este ensayo para identificar el origen del ruido. Se han estimado las frecuencias propias de oscilación del percutor y de la probeta, observándose que existe coincidencia con las presentes en el ruido de la señal, lo que ha permitido realizar un filtrado adecuado que no enmascara la información fundamental del ensayo. También, mediante estas modelizaciones, ha sido posible determinar la velocidad de aplicación de la carga a partir de la cual no es posible emplear las ecuaciones que no tienen en cuenta las fuerzas inerciales para calcular a través de ellas los valores de las propiedades dinámicas concretas. Se ha estudiado la tolerancia al daño de componentes estructurales fabricados con los laminados de fibra de carbono tras resultar dañados por impactos a baja velocidad y temperatura ambiente. Se han realizado ensayos de compresión después de impacto, por ser este estado de carga el que produce mayores reducciones en las propiedades residuales de las estructuras. Se ha analizado la variación de estas propiedades cuando aumenta la energía de impacto y la influencia que ejerce sobre ellas la disminución de la temperatura.
The mechanical flexural behaviour and the damage tolerance of carbon fibre-reinforced epoxy laminates of different stacking sequences are studied in this PhD thesis. The selected materials are among those widely used for structural components in the aeronautical and aerospace industries. The flexural behaviour of these materials was studied by three-point bending tests, and the influence of strain rate was gauged by both static and dynamic tests. Since the materials may be used in aerospace applications, they were tested at the different temperatures they may attain in service conditions. In the dynamic bending tests, a certain noise level tended to mask the material properties. The origin of the noise was investigated by numerical and analytical models. An analysis of the natural frequencies of the striker and of the specimen showed that they were similar to the noise frequencies, so it was possible to filter the signals, retaining the required test data. The models also allowed a calculation of the maximum load at which static equations may be used to derive dynamic material properties. A study of the damage tolerance of structural components after low energy impact at ambient temperature revealed a decrease of the tensile, compressive, bending or buckling strengths after impact, the largest decrease being that of the compressive strength, due to local or global buckling, an effect which was studied at different temperatures.
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