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Estimación numérica de propiedades mecánicas del material compuesto reforzado por partículas mediante elementos finitos

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2015-09
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2015-10-13
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El hombre ha conseguido crear materiales capaces de responder de manera cada vez más eficiente a los problemas ingenieriles, que van surgiendo a lo largo de la vida industrial y cotidiana, a partir de los materiales convencionales conocidos hasta ahora, como son los metales, los materiales cerámicos y los polímeros. Cada uno de estos tipos de material ofrece características diferentes, por lo que sus aplicaciones son ampliamente diversas. Mientras que los metales y los materiales cerámicos presentan altos puntos de fusión y ebullición, y por lo tanto, una buena estabilidad térmica, además de ser rígidos, duros y algunos de ellos dúctiles, los polímeros por el contrario, suelen ser más tenaces y blandos con poca estabilidad térmica, sin embargo, presentan una gran estabilidad química y son más baratos y más ligeros. Es por ello que en la combinación de estos se encontrarán las propiedades óptimas que requieren dichos problemas. Uno de los materiales compuestos más usados, sin duda, debido a su gran capacidad de transformación geométrica, así como su alta resistencia a tracción, compresión y cortadura, presentando alto grado de isotropía de manera macroscópica y bajo coste, es el material compuesto de matriz metálica con refuerzo de partículas, y en concreto, el de matriz de aluminio, que frente a otros materiales ligeros, es el menos costoso y más fácil de producir. Por lo tanto, mediante un script escrito en lenguaje Python, se generarán diferentes volúmenes elementales representativos (por sus siglas en ingles RVE) de un MMC (material compuesto de matriz metálica), representados con el programa de diseño y análisis por elementos finitos Abaqus/CAE, lo que permitirá estudiar el comportamiento mecánico de este tipo de material al variar el volumen de inclusiones de refuerzo presentes en la matriz, considerando siempre éste como isótropo, lineal y elástico. Se ha estudiado un rango de variación del porcentaje en volumen desde un 0 hasta un 35%, en incrementos del 5%, y se ha observado cómo cambian las principales constantes elásticas como el Módulo de Young (E), Módulo de Cortadura (G) y Coeficiente de Poisson (ν). Mientras que el Módulo de Young y Módulo de Cortadura varían, de 69.5 GPa (0%) hasta los 122 GPa (35%) para el primero, y desde 17.7 GPa (0%) hasta los 29.4 GPa (35%), el coeficiente de Poisson disminuye en poco menos del 14% frente un aumento en la densidad de sólo el 5%, prácticamente despreciables frente al resto de propiedades elásticas.
Human being has created materials that are able to respond more efficiently each time to engineering problems, which are coming out from industrial and habitual life, based on conventional materials known until today, like metals, ceramics and polymers. Each one of those materials offers quite different characteristics, because of that, their applications are many and different too. While metals and ceramics have elevated fusion and boiling points, then, good thermal stability, toughness and some good ductility as well, polymers on the other hand, are brittle, having poor thermal stability, more stiffness and are chemically stables but cheaper and lighter. That’s why on its combining it will be reached optimal properties required by those engineering problems. Metal matrix composite with particle reinforcement is, without doubt, one of the most used materials thanks to its great capacity for geometrical transformation, so as its high strength and stress resistance giving high grade of macro-isotropy and low cost, in concrete, aluminum matrix composite, which faced to other light ones, is cheapest and easy-manufactured. Through a script written on Python programming language, it shall generate random representative volume elements (RVE) of a MMC (metal-matrix composite), represented by design and analysis’ program, based on finite elements, Abaqus/CAE, that will allow the study about mechanical behavior for this kind of composite varying the reinforcement particles’ volume in matrix, considering this as a linear, elastic and isotropic material. It was being studied a range of variation’s percentage in volume from 0% to 35%, with increases of 5%, and it was noticed how main elastic constants change, as like Young’s Modulus (E), Shear’s Modulus (G) and Poisson’s coefficient (ν). Meanwhile Young’s and Shear’s moduli vary, from 69.5 GPa (0%) until 122 GPa (35%) for the first one, and from 17.7 GPa (0%) until 29.4 GPa (35%) for the other one, Poisson’s ratio decreases about 14% against an increase on density about only 5%, practically depreciable to the rest of the elastic properties.
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Keywords
Materiales compuestos, Propiedades mecánicas, Matriz de aluminio, Método de los elementos finitos
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