Caracterización mecánica de espumas metálicas y su aplicación en sistemas de absorción de energía

Abstract

El estudio de las espumas metálicas es un tema de creciente importancia, no sólo por las ventajas que presentan estos materiales para una amplia gama de aplicaciones en diseño ingenieril, sino además por la variabilidad que suelen exhibir sus propiedades mecánicas y por lo compleja e imprecisa que puede llegar a ser su caracterización. Esta tesis doctoral presenta el estudio y análisis del comportamiento mecánico a compresión de una espuma de aluminio, de celda cerrada, a diferentes velocidades de deformación. Como parte de este estudio, se han llevado a cabo ensayos cuasiestáticos de compresión y ensayos dinámicos en un dispositivo de SHPB con barras viscoelásticas de baja impedancia. Este dispositivo ha sido diseñado y preparado para el ensayo de la espuma metálica y, como parte del análisis de los resultados que ha permitido obtener, se ha desarrollado un algoritmo para la corrección analítica de la dispersión y atenuación causadas por las propiedades viscoelásticas de las barras. Se han trazado las curvas tensión nominal-deformación nominal (σN-εN) de la espuma metálica para diferentes velocidades de deformación en el intervalo de 10-3 a 900 s-1. A través de estas curvas se estimaron las propiedades mecánicas clave de la espuma y se evaluó su capacidad de absorción de energía por deformación. Para complementar este análisis se llevó a cabo la modelización de los ensayos de compresión cuasiestática y dinámica de la espuma, mediante un código computacional de elementos finitos. La modelización se llevó a cabo implementando un modelo constitutivo con endurecimiento isotrópico incluido en el código e implementando un modelo de celda unitaria, desarrollado a partir de las características estructurales de la espuma. Finalmente, se ha estudiado, mediante ensayos en torre de caída de peso, el comportamiento frente a impacto de baja velocidad de estructuras sándwich con pieles de aleación de aluminio y núcleo de la espuma metálica y se ha realizado una estimación de la contribución de la espuma durante el proceso de absorción de energía de este tipo de estructuras. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

The study of metal foams has become of growing importance, not only by the advantages that these materials have for a wide range of applications in engineering design but also by the variability that their mechanical properties usually exhibit and by the complexity and inaccuracy of their characterization. This doctoral thesis deals with the study and analysis of the mechanical behavior of a closed-cell aluminum foam under compression at different strain rates. As part of the study both quasistatic and dynamic compressive test were carried out, using a servo-hydraulic machine and a SHPB device with low-impedance viscoelastic bars, respectively. This device for dynamic test was previously designed and prepared for the evaluation of the metal foam and, as part of the analysis of the results that it has allowed obtain, it was developed a numerical algorithm in order to accomplish the correction of the dispersion and attenuation caused by the viscoelastic properties of the bars. Nominal stress-strain curves (σN-εN) of the metal foam were plotted for different strain rates, ranging from 10-3 to 900 s-1. Using these curves were estimated the key mechanical properties of the foam and was estimated its capacity to absorb energy by deformation. In addition, modeling of the quasi-static and dynamic compressive test was performed, using a FEM-based code. This modeling was accomplished by implementing a constitutive model with isotropic hardening included in the code and by implementing a unit cell model developed from the structural characteristics of the foam. Finally, by drop weight testing was studied the low-velocity impact behavior of sandwich structures with aluminum skins and metal foam core and the contribution of the foam to the energy absorption process was estimated.