INGENIEROS INDUSTRIALES

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1 ASIGNATURA: DISEÑO CON POLÍMEROS Y MATERIALES COMPUESTOS CÓDIGO: 4970 DEPARTAMENTO: INGENIERÍA MECÁNICA Y DE MATERIALES, TERMODINÁMICA APLICADA ÁREAS DE CONOCIMIENTO: INGENIERÍA MECÁNICA DESCRIPTORES DEL BOE: Selección de materiales. Diseño con polímeros. Diseño de nuevos materiales. Diseño de materiales compuestos de matriz polímera. Reciclado. Aspectos económicos. Curso: 2A Optativa Intensificación 3 Créditos: 10.0 OBJETIVOS GENERALES Se pretende que los alumnos tengan una visión global de los diferentes factores a tener en cuenta en el diseño con materiales compuestos de matriz polimérica de piezas o artículos de interés en ingeniería. Deben de entender las ventajas del empleo de estos materiales compuestos frente a los tradicionalmente empleados. Para entender el comportamiento del material compuesto, en primer lugar el alumno debe conocer las propiedades y características específicas de cada uno de los constituyentes, así como la influencia de la interfase entre ambos. Planteamiento del proceso de diseño con materiales compuestos incluyendo aspectos relacionados con la estimación de propiedades de rigidez y resistencia basada en modelos micro-mecánicos, establecimiento de criterios de fallo y diseño de uniones. Comprensión del comportamiento anisótropo de los materiales desde el punto de vista macroscópico. Estudio de los modelos básicos de análisis de laminados, desde la Teoría Clásica de Laminados hasta la aplicación de técnicas computacionales basadas en el Método de Elementos Finitos. Obj.1 Obj.2 Obj.3 Obj.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. CAPACIDADES Y DESTREZAS Entender qué es un material compuesto y las ventajas del empleo de los mismos frente a los tradicionales. Conocer nuevas aplicaciones y tendencias noveles de investigación. Identificar cuales son las funciones específicas de cada una de las partes del material compuesto (matriz, constituyente estructural, interfase entre ambos). Conocer diferentes clases de los constituyentes del material compuesto (matriz, constituyentes estructurales), así como las características y propiedades de cada uno de ellos. Identificar los diferentes tipos de materiales compuestos y sus características. Conocer la influencia de la concentración, tamaño, distribución y orientación de los constituyentes estructurales en las propiedades del material compuesto. Entender por qué unas geometrías de los constituyentes estructurales en los materiales compuestos son más efectivas qué otras (efectividad del refuerzo). Asociar la disposición geométrica de la fibra y la matriz con las propiedades de los materiales. Conocer diferentes tipos de matrices de naturaleza polimérica y sus propiedades. Conocer tipos de aditivos utilizados y sus funciones. Mecanismos de adición y requisitos tecnológicos. Conocer tipos de fibras y sus propiedades. Conocer la importancia de la interfase Matriz-Fibra en las propiedades del material compuesto, Teorías de adhesión. Conocer cómo evaluar las propiedades elásticas de un material compuesto a partir de la distribución de esfuerzos y deformaciones. Dependencia de la misma con la forma, la distribución y fracción en volumen de las fibras, y con propiedades elásticas de los constituyentes del material compuesto (matriz, fibras). Conocer modos de fallo en función de las condiciones de carga exteriores y saber cómo calcular la resistencia de la lámina en función de la resistencia de los constituyentes de la misma (matriz y fibras) y de la forma, la distribución y fracción en volumen de las fibras presentes. Obj.5 Generalizar la ley de comportamiento del material (ley de Hooke) de materiales isótropos al caso de materiales anisótropos.

2 Obj.6 Obj.7 Obj.8 Obj.9 Obj.10 Interpretar el sentido de los conceptos de rigidez, flexibilidad y de las constantes de ingeniería. Descubrir la relación entre la simetría, el grado de anisotropía y los acoplamientos entre tensiones y deformaciones. Reconocer la naturaleza tensorial de las tensiones y deformaciones y como se expresan en diferentes sistemas de coordenadas, incluido el asociado al material. Definir la ley de Hooke para el caso de tensión plana y su relación con el caso tridimensional. Justificar la necesidad de utilizar elementos de bajo espesor en elementos mecánicos. Establecer las hipótesis de la Teoría Clásica de Laminados (TCL) y las limitaciones asociadas. Demostrar la Teoría Clásica de Laminados incluyendo efectos térmicos e higroscópicos. Aplicar la Teoría Clásica de Laminados a diferentes tipos de laminados. Describir los diferentes modos de obtención de tensiones y deformaciones en cada lámina. Interpretar los mecanismos de aparición de estados de tensión tridimensional en la proximidad de bordes libres. Evaluar la validez de la aplicación de la Teoría Clásica de Laminados a problemas reales. Reconocer la necesidad de criterios de fallo bajo tensiones multiaxiales. Definir los diferentes criterios de fallo no interactivos y establecer sus características. Definir los diferentes criterios de fallo interactivos y establecer sus características. Comparar las características de los métodos interactivos y no interactivos. Describir los tipos de fallos en componentes mecánicos. Diferenciar los modelos de fallo en laminados: fallo de la primera lámina y fallo de la última lámina. Establecer la secuencia de fallo con modelo de la última lámina en función del modelo de degradación utilizado. Identificar otros tipos de fallo de laminados debidos a inestabilidad. Identificar la problemática asociada a la unión de materiales no isótropos. Distinguir el mecanismo de transmisión de fuerza en uniones adhesivas con adheridos Ultrarígidos y con adheridos deformables. Describir el comportamiento de los adhesivos estructurales y los modelos de cálculo utilizados. Seleccionar el tipo de unión adhesiva más adecuada para cada aplicación. Establecer la influencia de cada parámetro en el mecanismo de transmisión de fuerza en uniones con un solo conector. Descubrir como se modifica el mecanismo de transmisión de fuerza cuando existen varios conectores. Seleccionar el tipo de unión mecánica más adecuada para cada aplicación. Deducir los criterios de selección de una unión adhesiva o mecánica. Conocer los procedimientos de fabricación empleados para la elaboración de productos con plásticos reforzados con fibras, así como los requisitos a cumplir por los constituyentes del material compuesto. 1 CONTENIDOS BÁSICOS DE LA ASIGNATURA Nº Nombre y breve descripción de cada Unidad Temática Obj. específico asociado INTRODUCCIÓN 1.1. Definición de material compuesto. 1.2 Materiales compuestos en la naturaleza, nuevas aplicaciones y tendencias noveles de investigación. 1.3 Materiales compuestos frente a los materiales tradicionales Funciones de los constituyentes de un material compuestos. Tipos de resinas, fibras y sus propiedades Clasificación de los materiales compuestos 1.6. Aspectos geométricos de los plásticos reforzados con fibras. 1,2

3 SELECCIÓN DE MATERIALES 2.1. Descripción de diferentes tipos de matriz y refuerzos Aspectos geométricos de interés de los constituyentes estructurales Influencia de la interfase en el comportamiento 2.4. Comparación entre diferentes combinaciones. ANÁLISIS DE PROPIEDADES DE INTERÉS DE MATRICES DE NATURALEZA POLIMÉRICA 3.1. Resinas termoplásticos-termoestables 3.2 Viscosidad-Procesos de fabricación 3.3. Propiedades térmicas de los polímeros. ADITIVOS. MÉTODOS DE MEZCLAS 4.1. Clasificación de aditivos en función de su función 4.2. Descripción de los diferentes aditivos 4.3. Tipos de mezclas 4.4. Descripción de mecanismos de mezclas en función de su tipo. MICROMECÁNICA 5.1. Aspectos de rigidez en composites con fibras distribuidas mono, di y tridimensionalmente 5.2 Aspectos resistentes en composites con fibras distribuidas mono, di y tridimensionalmente. RELACIONES e-s : LEY DE HOOKE GENERALIZADA 6.1.Notación 6.2. Ley de Hooke generalizada 6.3.Ley de Hooke generalizada para una lámina ortótropa en tensión plana. ANÁLISIS DE LAMINADOS: TEORÍA CLÁSICA DE LAMINADOS 7.1.Introducción 7.2.Tipos y clasificación de laminados 7.3.Teoría Clásica de Laminados 7.4. Inclusión de efectos térmicos e higroscópicos 7.5. Obtención de las tensiones en una lámina 7.6. Efectos de borde CRITERIOS DE FALLO DE LÁMINA UNIDIRECCIONAL BAJO TENSIONES MULTIAXIALES 8.1. Introducción 8.2. Criterios de fallo no interactivos 8.3. Criterios de fallo interactivos. RESISTENCIA DE LAMINADOS 9.1. Introducción 9.2. Modelos de Fallo resistente de laminados 9.3. Inestabilidad a compresión. Pandeo de vigas. UNIONES ADHESIVAS Y MECÁNICAS Introducción 10.2.Tipos y características de las uniones 10.3.Uniones adhesivas Uniones mecánicas Conclusiones. DISEÑO CON MATERIALES NO ISÓTROPOS Diseño con materiales isótropos y anisótropos Clasificación de materiales compuestos Aspectos relevantes del proceso de diseño con materiales anisótropos Procedimientos de fabricación para productos plásticos reforzados con fibras: Procedimientos en molde abierto y procedimientos en molde cerrado. 1,2,3 1,3 3 1,2,3, al 10 PRÁCTICAS DE LABORATORIO O INFORMÁTICAS Título y breve descripción. Dedicación del alumno Obj. específico asociado Diseño y selección de materiales a través de fuentes informáticas 3 1,2,3,4 Cálculo y análisis de las propiedades mecánicas de los componentes individuales y del material compuesto. 3 3,4 Cálculo de concentrador de tensiones en un agujero con un material ortótropo. Introducción al uso del programa ANSYS 2 5,6,9 Teoría clásica de laminados con MathCad y ANSYS 2 5,6 Análisis de cúpula esférica mediante M.E.F. con modelo de placas laminadas 2 5,6 Resistencia de laminados. RUL con MathCad y RPL con ANSYS 2 7,8 Efectos de borde en laminados mediante M.E.F. 3 5,6 Visita a una industria relacionada con materiales compuestos 3 1,2,3,10

4 BIBLIOGRAFÍA BÁSICA Jones, R.M. (1975) Mechanics of composite materials. McGraw-Hill, New York. Hull, D. (1981) An introduction to composite materials. Cambridge University Press Giner, E., Albelda, J. (1998) Análisis y Diseño con Materiales Compuestos. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia, SPUPV Matthews, F.L., Rawlings, R.D. (1994) Composite Materials: Engineering and Science. Chapman & Hall Tsai, S.W., Miravete, A. (1988) Diseño y análisis de materiales compuestos Edit. Reverté. Antequera, P., Jiménez, L., Miravete, A. (1993) Cálculo y diseño de estructuras de materiales compuestos de fibra de vidrio. Secretariado de publicaciones de la Universidad de Zaragoza Powell, PC., Ingen House AJ. (1988) Engineering with Polymers Ed. Stanley Thornes McCruw, N.G., Bucleley CP., Bucknall CB. (1989) Principles of polymers Engineering, Oxford University Press. Plashos Engineering, R.J. Craward, Pergamon Oxford (1987). Callister W D. Fundamentals of Materials Science and Engineering (2001) Ed. John Wiley & Sons Morton-Jones Procesamiento de plásticos. (1997) Ed. Limusa. Lekhnitskii, SG., (1963) Theory of elasticity of an anisotropic body. Holden-Day, Inc Tres P. A., (1995) Designing Plastic Parts for Assembly. Carl Hanser Verlag. Miravete, A. y otros (2000) Materiales Compuestos. Tomos I y II. Editado por A. Miravete Hull, D. (1987) Materiales compuestos. Ed. Reverté PROFESOR RESPONSABLE ÁREA DE INGENIERÍA MECÁNICA Y DE MATERIALES /JOSÉ ALBELDA VITORIA ÁREA DE TERMODINÁMICA APLICADA / Mª JESÚS SANCHIS SÁNCHEZ Dimensiones Créditos Metodología de enseñanza aprendizaje asociado a la dimensión (*) Método de evaluación asociado a la dimensión (**) Teoría de aula 5 Clase magistral 80 Prueba escrita, exposición y trabajos Seminario Prácticas de aula 2,8 Prácticas de laboratorio Actividades - SITUACIÓN ACTUAL DE LA ASIGNATURA / REVISADA PARA EL PAEEES Resolución de problemas y casos, actividades de grupo Ejercicios, casos o problemas, Trabajos y Otros Nota final (%) 2,2 Prácticas de laboratorio 30 Prácticas 10 Trabajo escrito y Proyecto. Exposición oral Carga lectiva para alumno (h) Trabajo, exposición Total 10 _ horas de 240 trabajo alumno _ 100% 8 ECTS (*) Seleccionar respecto de los siguientes ítems: Clase magistral, Resolución de problemas y casos, Prácticas de laboratorio, Prácticas de campo, Prácticas externas, Tutorías, Exposición oral del estudiante, Actividades en grupo, Trabajos escritos y proyectos, Preparación y realización de exámenes. (**) Seleccionar respecto de los siguientes ítems: Prueba escrita (preguntas abiertas / test), Prueba oral, Exposición, Prácticas (ejercicios, casos o problemas), Trabajos, Otros. Ingeniero de Materiales. Intensificación 3: Polímeros y materiales compuestos de matriz polímera / Fecha de la última actualización:

5 Observaciones / Condicionantes requeridos: Asignaturas previas que deben cursarse para cubrir los objetivos requeridos en la asignatura: Comportamiento Mecánico de Materiales. Elasticidad. Comportamiento Mecánico de Materiales. Plasticidad y Fractura. Relación con objetivos de otras asignaturas dentro del propio curso o en la propia área de conocimiento: PRIMER CURSO: Comportamiento Mecánico de Materiales. Elasticidad. Comportamiento Mecánico de Materiales. Plasticidad y Fractura. SEGUNDO CURSO: Diseño y Cálculo de Elementos de Máquinas. Polímeros en Ingeniería Métodos numéricos para el diseño mecánico Polímeros con aplicaciones especiales Recursos materiales (aulas, aulas informáticas, laboratorios, equipos audiovisuales): Aulas, aulas informáticas, laboratorios, equipos audiovisuales Condicionantes requeridos para la implantación de la asignatura rediseñada (tamaño de grupo, recursos humanos y materiales,...): No se explicitan