1. Introducción y objetivos

Transcripción

1 1. Introducción y objetivos 1.1 Materiales compuestos El empleo de los materiales compuestos en la industria ha crecido significativamente en los últimos años. Su capacidad para reducir peso en estructuras y componentes así como su gran versatilidad hacen que sean ampliamente utilizados en una gran cantidad de sectores industriales, con especial interés en la industria aeronáutica y aeroespacial, pero incluyendo aplicaciones civiles, automotrices, deportivas e incluso textiles. En concreto, los materiales compuestos son idóneos para aplicaciones estructurales donde se requieren valores altos de las relaciones resistencia/peso y rigidez/peso, siendo éste un aspecto especialmente importante en las estructuras aeronáuticas y aeroespaciales. A modo de definición puede decirse que los materiales compuestos son aquellos formados por la unión de dos o más materiales, a escala macroscópica, sin que se produzca una reacción química entre ellos y separados por una interfase, de manera que se produzca un efecto de sinergia con respecto a las propiedades de cada material de forma aislada. En este tipo de materiales se distinguen dos componentes: Matriz. Este elemento es el material base de la unión. Aparece en fase continua y es responsable de las propiedades físicas y químicas del material. Se trata de un agente ligante, que protege, da cohesión al material y transmite los esfuerzos al otro componente. Refuerzo. Se trata del elemento resistente. Aparece de fase discontinua y es el encargado de definir las propiedades mecánicas del material. Los materiales compuestos pueden clasificarse de la siguiente manera: a. Clasificación según la naturaleza de la matriz. Matriz metálica. Se caracterizan por tener excelentes propiedades mecánicas, alta conductividad térmica y eléctrica y no absorber humedad. Matriz cerámica. Resisten temperaturas elevadas y presentan una alta resistencia en compresión. Matriz polimérica. Presentan una baja densidad y permiten la posibilidad de obtener piezas complicadas. 9

2 b. Clasificación según la geometría del refuerzo. Reforzados con fibras. El refuerzo tiene una de sus dimensiones mucho mayor que las otras dos. Reforzados con partículas. El refuerzo está formado por partículas equiaxiales. Estructurales. Están constituidos por una combinación de materiales compuestos y homogéneos. Los materiales compuestos más empleados son los de matriz polimérica y refuerzo en forma de fibras, ya que poseen numerosas aplicaciones basadas en sus excelentes propiedades mecánicas. Las fibras, debido a la pequeña dimensión de la sección transversal, no pueden ser empleadas directamente en aplicaciones ingenieriles, de ahí la necesidad de ser embebidas en la matriz, que las protege de agentes exteriores y transfiere la carga. 1.2 Antecedentes El diseño habitual de los materiales compuestos hace que éstos trabajen en la dirección de la fibra (dirección longitudinal), lo que provoca que sean especialmente sensibles a la rotura en la dirección transversal. Situaciones habituales en las que puede producirse este tipo de fallo son laminados multidireccionales con láminas a 90º y laminados sometidos a cargas de impacto. El fallo transversal a nivel de lámina es conocido como fallo de la matriz o fallo entre fibras. La Figura 1 muestra un esquema de dicho fallo (Correa [1]). Plano de rotura paralelo a las fibras Figura 1. Esquema del fallo de la matriz/entre fibras [1]. 10

3 Este tipo de mecanismo de daño ya ha sido objeto de varios estudios para el caso de modelos de fibra única bajo tracción uniaxial transversal (París y otros. [2,3] y Correa y otros. [4,5]). Bajo la hipótesis de que el fallo transversal se inicia con la aparición de pequeños despegues en las interfases fibra-matriz, los estudios presentados por [2-5] permitieron identificar el siguiente esquema, el cual define las etapas del fallo entre fibras bajo tracción uniaxial, mostradas en la Figura 2: Figura 2. Etapas micromecánicas del fallo de la matriz/entre fibras bajo tracción uniaxial. 1. Nucleación de la grieta. La aparición de la grieta es controlada por la tensión radial que aparece entre la fibra y la matriz. En el caso del modelo de fibra única, los valores máximos de dichas tensiones se detectan para ángulos de 0º y 180º con respecto a la dirección de la tracción aplicada. 2. Crecimiento de la grieta de interfase. La grieta crece simétricamente y de manera inestable a lo largo de la interfase hasta que alcanza una cierta longitud (60º-70º), coincidiendo con la aparición de una zona de contacto finita en el fondo de grieta. 3. Cambio de propagación hacia la matriz. La grieta de interfase modifica repentinamente su dirección de crecimiento, abriéndose paso a través de la matriz en la dirección perpendicular a la de la carga aplicada. La coalescencia entre varias grietas en la matriz provocan el macro fallo final. Los resultados de los estudios numéricos realizados sobre este tipo de fallo presentan una conexión clara con la evidencia experimental como puede verse en la Figura 3 [2]. 11

4 Figura 3. Daño producido en un material compuesto reforzado con fibras ante cargas transversales [2]. Este Proyecto de Fin de Carrera se centra en la segunda etapa del mecanismo de daño, desarrollando un modelo numérico de dos fibras para su estudio. Dicho modelo se crea con el objetivo de que, mediante el uso del Método de los Elementos de Contorno, sea posible evaluar el efecto de una fibra cercana y sin daños (fibra secundaria) en la evolución de la grieta de interfase existente en otra fibra (fibra principal). Para el análisis de los resultados obtenidos, se utilizan conceptos de Mecánica de la Fractura de Grietas de Interfase (Mantič y otros. [6]). El desarrollo de este estudio a nivel micromecánico permite ampliar la caracterización del fallo de la matriz, complementando los estudios ya realizados por el Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales de la Universidad de Sevilla, de manera que dicha caracterización permita ahondar sobre el establecimiento y validación de los criterios de fallo. Además, este proyecto sirve de base para el futuro planteamiento de modelos que combinen la presencia de varias fibras con diferentes cargas transversales. 1.3 Objetivos El objetivo principal de este Proyecto de Fin de Carrera es llevar a cabo un análisis mediante el uso del Método de los Elementos de Contorno y de conceptos de Mecánica de la Fractura, a partir del cual evaluar los efectos de la presencia de una fibra secundaria (y de la variación de su posición) en la evolución del fallo de la matriz/entre fibras bajo cargas transversales de tracción uniaxial. Para ello, se utiliza el enfoque empleado por Correa y otros. [7], centrado en el estudio de la morfología y la propagación de la grieta. El primer paso consiste en la creación de una herramienta matemática que permita generar un modelo micromecánico válido para cada situación posible que se plantee. 12

5 Dicha herramienta debe responder a una serie de requisitos en cuanto a la discretización obtenida (Capítulo 2). Una vez creada dicha herramienta, se define un modelo de fibra única (Sección 3.1), de manera que los resultados obtenidos confirmen lo establecido en [2-4] en términos de energía liberada y se introduzca el planteamiento utilizado en [7] con respecto a la morfología y la propagación. Los resultados obtenidos sirven de situación de referencia con la que comparar las posibles particularidades que aparezcan al introducir la presencia de la fibra secundaria. Posteriormente se incluye la presencia de la fibra cercana (Sección 3.2) definiendo una distancia inicial para el análisis y haciendo variar la posición angular de dicha fibra, de manera que se simule un número razonable de posiciones que permitan caracterizar la presencia de dicha fibra. Se deben observar las posibles modificaciones introducidas por la fibra, en términos de energía, morfología y propagación, así como posibles efectos aceleradores o protectores de la fibra frente al fallo. Con el objetivo de acotar los patrones de comportamiento que se observen, confirmar la intensificación o atenuación de dichos patrones y establecer las posibles limitaciones del modelo, se modifica la distancia entre las fibras, tanto aumentándola como disminuyéndola (Sección 3.3). Finalmente, a modo de recapitulación, se establece una serie de conclusiones globales del proyecto (Capítulo 4), atendiendo a los principales efectos observados, así como las posibles contribuciones de cara a trabajos futuros. 13

6 14