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Análisis de los efectos de borde en laminados de material compuesto mediante modelos numéricos

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2018-05
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2018-07-06
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La presente Tesis Doctoral aborda el estudio de las tensiones interlaminares que aparecen en las inmediaciones de los bordes libres de laminados de material compuesto intactos o en presencia de concentradores de tensión cuando se someten a cargas en su plano. Este estudio consiste en el análisis de los fenómenos de borde libre que ocurren en dos casos diferenciados. En primer lugar, se analizan las tensiones que se desarrollan a la altura de la interfase, en el borde libre, entre láminas cuyas fibras tienen diferentes orientaciones, pertenecientes a laminados intactos sometidos a estados de carga uniaxial de tracción. Se estudian las tensiones fuera del plano que aparecen para diferentes secuencias de apilamiento, analizando el cambio de los valores de las tensiones cuando se varía la orientación de las fibras. El modelo utilizado se basa en un enfoque macroscópico del comportamiento de la lámina que, convenientemente simplificado, permite reducir las ecuaciones a un esquema de diferencias finitas que proporciona el valor de los desplazamientos en puntos discretos del sólido. El método utilizado ha sido validado con resultados de la literatura científica y la realización de ensayos experimentales. La variable que se ha seleccionado, como indicador de la presencia de efectos de borde, es el gradiente del desplazamiento longitudinal en el ancho del laminado, que una vez medido experimentalmente permite corroborar la presencia de las tensiones interlaminares. En segundo lugar, se analizan las tensiones interlaminares que se desarrollan en las inmediaciones de los bordes libres de un laminado con un agujero en el centro geométrico del mismo y que se encuentra sometido a un estado uniaxial de compresión. Para modelar el micropandeo de las fibras alineadas con la dirección de la carga, se propone un modelo fenomenológico de daño continuo isótropo para la fibra, combinado con la Teoría de Mezclas Serie/Paralelo como ley constitutiva del material compuesto. Los parámetros del modelo se fijan utilizando resultados experimentales, extraídos de la literatura, correspondientes a un ensayo de compresión de un laminado sin agujero con las fibras orientadas en la dirección de la carga. Con los parámetros calibrados, el modelo se valida con los resultados correspondientes a dos ensayos de compresión, uno consistente en un laminado sin agujero con las fibras orientadas según diferentes direcciones y otro con agujero con la misma secuencia de apilamiento. Posteriormente, se evalúan las tensiones interlaminares, a lo largo del espesor, tanto en el borde libre del agujero como en el extremo. Finalmente, se analizan las tensiones en el agujero en las láminas con diferentes orientaciones y se repite el estudio para diferentes secuencias de apilamiento.
This PHD Thesis deals with the study of interlaminar stresses of unnotched and notched composite laminates under in-plane loads. The study consists of the analysis of the free-edge effects in two different cases. Firstly, an analysis of the influence of fibre orientation on the interlaminar stresses of unnotched composite laminates subjected to traction load was carried out. The analysis is focused, near the free edge, on the interphase between plies with different fibre orientations. A finite difference scheme was implemented in order to obtain the displacements of the discrete material points. This numerical method has been validated using scientific literature and experimental data as well. The presence of a displacement gradient, across the width, was demonstrated using this finite difference scheme. The study showed that the maximum value is dependent on the orientation of the plies in the laminate. The displacement gradient is related to interlaminar stresses, which in turn are dependent on fibre orientation. In order to study the dependence of the out-of-plane stresses on these parameters, an analysis of symmetric laminates with varying stacking sequences and ply orientations was carried out. Secondly, interlaminar stresses near the free edge of an open-hole composite laminate subjected to compression load, were studied. In order to deal with the 0 fibre microbuckling, a phenomenological continuum isotropic damage model is proposed. In addition, the Serial/Parallel Mixture Theory is considered as the composite constitutive law. In the model proposed, damage parameters are required. In this Thesis, these damage parameters are fixed by using experimental data, available in the scientific literature, corresponding to an unidirecctional unnotched laminate subjected to compression load. Afterwards the model is validated using two different compression tests, one for a multidirecctional unnotched laminate and another for a laminate with an open-hole in the geometrical centre. Finally, after model validation, the interlaminar stresses, through the laminate thickness and around the hole, are studied by comparing results varying the stacking sequence.
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Keywords
Mecánica de medios continuos, Materiales compuestos, Tensiones interlaminares, Laminados con agujero, Efecto de borde, Modelo de daño, Elementos finitos, Análisis numérico
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