Resumen de Prediction of mechanical properties of unidirectional FRP plies at different environmental conditions by means of computational micromechanics
Actualmente, los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras cerámicas son extensamente usados en aplicaciones que requieren excelentes propiedades específicas. Hasta ahora, varios modelos de fallo, con base física o fenomenológica, han sido desarrollados para predecir el comportamiento mecánico de láminas unidireccionales de dichos materiales. No obstante, estos modelos requieren un importante número de propiedades que han de ser obtenidas mediante largas y costosas campañas experimentales. Este es el caso de las certificaciones aeronáuticas, donde el proceso completo puede extenderse durante más de un año, debido especialmente a los ensayos de materiales envejecidos bajo diferentes condiciones ambientales. Por este motivo, la industria contempla cada vez más la realización de ensayos virtuales buscando una reducción de dichas campañas experimentales, actualmente imprescindibles en la caracterización de materiales compuestos a diferentes escalas que abarcan desde pequeñas probetas a componentes estructurales.
En esta tesis, se ha desarrollado una estrategia que combina experimentos y modelos numéricos dentro del marco de la micromecánica de materiales compuestos. Dicha estrategia ha permitido la predicción de las propiedades mecánicas de una lámina unidireccional de material compuesto cuando éste está en servicio bajo diferentes condiciones ambientales. Para ello, las principales propiedades de los constituyentes han sido medidas mediante una serie de ensayos micromecánicos desarrollados in-situ, es decir, en la propia sección transversal del material compuesto. En el caso de la matriz polimérica, la indentación instrumentada ha sido combinada con la compresión de micropilares para determinar el comportamiento elasto-plástico de la resina evitando cualquier dependencia de ensayos macroscópicos. Por otro lado, la resistencia de la intercara fibra/matriz ha sido medida mediante ensayos de push-in.
Respecto al trabajo computacional, una serie de microestructuras estadísticamente equivalentes a la lámina real han sido virtualmente generadas usando la información obtenida del análisis micrográfico de la sección transversal del compuesto. La información resultante se ha empleado para generar un modelo tridimensional de elementos finitos de un volumen representativo de la lámina del material compuesto. El mecanismos de decohesion de la intercara fibra/matriz ha sido simulado mediante un modelo cohesivo acoplado con fricción, mientras que un modelo elasto-plástico dependiente de la presión que incluye daño por tensión y compresión ha sido empleado para capturar el comportamiento no linear de la matriz polimérica. La respuesta mecánica de ambos constituyentes ha sido calibrada usando los resultados de los ensayos micromecánicos descritos anteriormente. Este tipo de estrategia proporciona información relevante acerca del papel que juegan los diferentes constituyentes en los diferentes modos de fallo de la lámina . Además, proporciona las curvas tensión-deformación (sin necesidad de usar parametros de ajuste) y reproduce los mecanismos de fallo observado experimentalmente para casos de carga uniaxial y biaxial.
El trabajo desarrollado en esta tesis sienta las bases necesarias para desarrollar una estrategia multiescala que permitirá, entre otras cosas, el desarrollo de ensayo virtuales de partes específicas de componentes, el estudio de la combinación de diferentes fibras y matrices y de la importancia de los defectos derivados de la fabricación. El resultado, será un reducción de costes y de tiempo, favoreciendo el uso de nuevos y mejores materiales adaptados a diferentes aplicaciones ingenieriles.
