On the generation of design allowables of composite coupons accounting for defects using a multi-fidelity approach
- Autores: Oriol Vallmajó Martín
- Directores de la Tesis: Albert Turon Travesa (dir. tes.), Albertino José Castanho Arteiro (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Girona ( España ) en 2024
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Giuseppe Catalanotti (presid.), Stephanie Miot (secret.), María Asunción Cantera Lopez de Silanes (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnología por la Universidad de Girona
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
- español
Las estructuras de material compuesto son ampliamente utilizadas en aplicaciones ligeras debido a su rendimiento mecánico excepcional y baja densidad. Sin embargo, su comportamiento anisotrópico y su susceptibilidad a incertidumbres, como defectos de fabricación, presentan desafíos durante el proceso de diseño. Los enfoques tradicionales, que involucraban extensas pruebas experimentales, están siendo reemplazados por simulaciones informáticas para mayor eficiencia y rentabilidad. Estas simulaciones no solo reemplazan los métodos tradicionales, sino que también generan una multitud de resultados, teniendo en cuenta diversas incertidumbres.
Los admisibles de diseño son muy utilizados como valores de diseño que consideran todas las incertidumbres asociadas con las estructuras de materiales compuestos. Obtener estos valores requiere modelos computacionales precisos y un análisis exhaustivo del comportamiento de la estructura compuesta. Además, la mecánica microestructural ayuda a comprender tanto su comportamiento mecánico como las fuentes de variabilidad.
Esta tesis aborda la necesidad de predecir virtualmente admisibles de diseño precisos que tengan en cuenta las incertidumbres inherentes y los defectos de fabricación en estructuras compuestas. El objetivo principal es desarrollar herramientas computacionales que propaguen sistemáticamente las incertidumbres y proporcionen parámetros estadísticos que representen el comportamiento del material. La investigación contribuye tanto a la precisión como a la eficiencia del diseño de estructuras compuestas, alineándose con el cambio de la industria hacia metodologías más rentables y prácticas.
Para lograr estos objetivos, la tesis se centra en tres componentes principales: el modelado estadístico para admisibles de diseño, un análisis computacional para simulaciones de respuesta mecánica y el desarrollo de un modelo micromecánico avanzado para comprender el comportamiento del material a escala microscópica. Cada componente contribuye a un marco integral para gestionar y mitigar eficazmente las incertidumbres en materiales compuestos.
En la primera contribución de esta tesis, se presenta una herramienta eficiente para predecir admisibles de diseño en un laminado con un agujero pasante, específicamente el B-value. Este enfoque novedoso utiliza un modelo analítico que tiene en cuenta meticulosamente la variabilidad intrínseca del material y las tolerancias geométricas. Este trabajo mejora significativamente la comprensión de la predicción de admisibles de diseño en el nivel más bajo de la pirámide de certificación, a nivel de espécimen, proporcionando una metodología clara y aplicable a diferentes niveles estructurales.
El segundo artículo derivado de esta tesis desarrolla una metodología sistemática para obtener admisibles de diseño utilizando un modelo numérico. Dada la complejidad de la respuesta mecánica de los materiales compuestos, especialmente en escenarios como la compresión después del impacto, son necesarias técnicas de modelado sofisticadas. Modelarlo analíticamente es muy complejo, por lo que es necesario utilizar modelos numéricos basados en el método de elementos finitos para predecir con precisión su comportamiento mecánico. Sin embargo, estos modelos numéricos requieren recursos computacionales robustos y tiempos de simulación extendidos en comparación con los modelos analíticos, lo que presenta dificultades para obtener tamaños de muestra grandes. La metodología propuesta aborda esta limitación al crear una superficie de respuesta precisa a partir de los datos numéricos disponibles, permitiendo la interpolación de numerosos valores. Esto facilita el análisis estadístico, simplificando el proceso de obtención de admisibles de diseño de manera eficiente.
El tercer artículo se vuelve a centrar en la predicción de admisibles de diseño en un laminado con un agujero pasante, considerando la presencia de defectos mediante modelos analíticos y numéricos. La presencia de defectos en estructuras compuestas es una realidad inevitable durante el proceso de fabricación que requiere una consideración meticulosa. A nivel de espécimen, donde lograr la disposición deseada mediante la alineación precisa de cada capa se convierte en una tarea compleja, se debe tener en cuenta las desviaciones de las capas. Los modelos analíticos facilitan la generación de grandes tamaños de muestra para un análisis estadístico más preciso, mientras que las simulaciones numéricas ofrecen una precisión más alta. El estudio compara estas herramientas computacionales y sugiere un enfoque híbrido para establecer admisibles de diseño, logrando un equilibrio entre eficiencia computacional y fiabilidad de los resultados.
En la última contribución de esta tesis, se destaca la importancia de comprender el origen de esta variabilidad al tener en cuenta los admisibles de diseño en estructuras compuestas. Los modelos micromecánicos surgen como herramientas poderosas para describir el comportamiento mecánico de los materiales a escala microscópica, centrándose en comprender cómo interactúan individualmente cada uno de los constituyentes, como las fibras y la matriz, para influir en las propiedades mecánicas de los materiales compuestos. Además, a escala microscópica, la influencia de defectos, particularmente los poros, contribuye significativamente a la variabilidad de las propiedades de las estructuras compuestas. Este artículo de investigación propone una metodología innovadora que utiliza un modelo micromecánico mejorado para predecir las propiedades elásticas a escala mesoscópica y sus incertidumbres asociadas.
La tesis se estructura en varias partes, incluyendo una revisión bibliográfica, publicaciones revisadas por expertos y una discusión de resultados y conclusiones. A través del desarrollo y validación de estos modelos, la investigación contribuye no solo a la comprensión de las incertidumbres en las estructuras compuestas, sino que también proporciona herramientas valiosas para que los ingenieros puedan optimizar los diseños de manera iterativa y rigurosa.
- català
Les estructures de material compost són altament utilitzades per estructures que requereixen ser lleugeres gràcies al seu rendiment mecànic excepcional i baixa densitat. No obstant això, el seu comportament anisotròpic i la susceptibilitat a incerteses, com ara defectes de fabricació, plantegen reptes durant el procés de disseny. Els enfocaments tradicionals involucraven proves experimentals extenses. Actualment, aquestes estan sent substituïdes per simulacions computacionals que són molt més eficients i rendibles. Aquestes no només reemplacen els mètodes tradicionals, sinó que també proporcionen una gran quantitat de resultats, tenint en compte les diverses incerteses. Els admissibles de disseny són àmpliament utilitzats com a paràmetres de disseny que tenen en compte totes les incerteses associades amb les estructures de materials compost. Obtenir aquests valors requereix models computacionals precisos i una anàlisi exhaustiva del comportament de l'estructura composta. A més, la mecànica microestructural ajuda a comprendre tant el seu comportament mecànic com les fonts de variabilitat. Aquesta tesi aborda la necessitat de predir virtualment admissibles de disseny precisos que tinguin en compte les incerteses inherents i els defectes de fabricació en estructures compostes. Així doncs, eines computacionals que propaguin sistemàticament les incerteses i proporcionin paràmetres estadístics que representin el comportament del material són desenvolupades. La recerca contribueix tant a la precisió com a l'eficiència del disseny d'estructures compostes, alineant-se amb el canvi de la indústria cap a metodologies més econòmiques i pràctiques. Per assolir aquests objectius, la tesi es centra en tres parts principals: la modelització estadística per obtenir admissibles de disseny, l'anàlisi computacional mitjançant simulacions per obtenir una resposta mecànica i el desenvolupament d'un model micromecànic per comprendre el comportament del material a l'escala microscòpica. Cadascuna de les parts contribueix a un marc complet per gestionar i mitigar eficaçment les incerteses en els materials compostos. La tesi s'estructura en diverses parts, incloent una revisió bibliogràfica, publicacions avaluades per experts i una discussió dels resultats i les conclusions. Mitjançant el desenvolupament i la validació d'aquests models, la recerca contribueix no només a la comprensió de les incerteses en les estructures compostes, sinó que també proporciona eines valuoses per als enginyers per poder optimitzar els dissenys de manera iterativa i rigorosa.
- English
Composite structures play a crucial role in lightweight applications due to their exceptional mechanical performance and low density. However, their anisotropic behavior and susceptibility to uncertainties, such as manufacturing defects, bring challenges during the design process. Traditional approaches involving extensive testing are being replaced by computational simulations for efficiency and cost- effectiveness. These simulations not only replace traditional methods but also yield a multitude of results, accommodating various uncertainties.
Design allowables are widely used as design values which account for all the uncertainties associated with composite structures. Obtaining these values requires accurate computational models and a thorough analysis of the composite structure behavior. Moreover, microstructural mechanics aids in understanding both their mechanical behavior and the sources of variability.
This thesis addresses the need for accurate virtual calculation of design al- lowables that account for inherent uncertainties and manufacturing defects in composite structures. The overarching goal is to develop computational tools that systematically propagate uncertainties and provide statistical parameters representing material behavior. The research contributes to both the accuracy and efficiency of composite structures design, aligning with the industry’s shift toward more cost-effective and practical methodologies.
To achieve these objectives, the thesis focuses on three main components: statis- tical modelling for design allowables, computational analysis for mechanical response simulations, and an advanced micromechanical model for understand- ing material behavior at the micro-scale. Each component contributes to a comprehensive framework for managing and mitigating uncertainties effectively in composite materials.
In the first contribution of this thesis, an efficient tool is introduced to pre- dict notched design allowables, specifically the B-value. This novel approach employs an analytical model that meticulously accounts for intrinsic material variability and geometrical tolerances. The work significantly advances the understanding of predicting design allowables at the coupon level, providing a clear and applicable methodology across various structural levels.
The second article develops a systematic methodology for obtaining design allowables using a numerical model. Given the complexity of the mechanical response of composite materials, especially in scenarios like compression after impact, sophisticated modelling techniques are imperative. Analytically mod- elling this phenomenon is highly complex, necessitating the use of numerical models based on the finite element method to predict their mechanical behavior accurately. However, these numerical models demand robust computational resources and extended simulation times compared to the analytical ones, pre- senting difficulties in obtaining large sample sizes. The proposed methodology addresses this handicap by constructing a precise response surface from available numerical data, enabling the interpolation of numerous values. This facilitates statistical analysis, streamlining the process of obtaining design allowables efficiently.
The third article focuses on predicting notched design allowables at the coupon level, considering the presence of defects through both analytical and numer- ical models. Defects in composite structures, an inevitable reality during the manufacturing process, require meticulous consideration. At the coupon level, where achieving the intended layup through the precise alignment of each ply is a complex task, ply deviations must be taken into account. Analytical models contribute to the generation of large sample sizes, enhancing the accuracy of statistical analysis, while numerical simulations provide heightened precision.
The study compares these computational tools and suggests a hybrid approach to establish design allowables when accounting for the presence of ply misalign- ment as well as the intrinsic composites variability, achieving a balance between computational efficiency and results reliability.
In the final contribution of this thesis, the emphasis is placed on understanding the origin of variability while accounting for design allowables in composite structures. Micromechanical models emerge as powerful tools to describe the mechanical behavior of materials at the microscopic level, focusing on understanding how the individual constituents, such as fibers and matrix, interact to influence the composite mechanical properties. Additionally, at the micro- scale, the influence of defects, particularly voids, significantly contributes to the variability in the properties of composite structures. This research paper proposes an innovative methodology employing an enhanced micromechanical model to determine elastic mesoscale properties and their associated uncertainties.
The thesis is structured into several parts, including a literature review, peer- reviewed publications, and a discussion of results and conclusions. Through the development and validation of these models, the research contributes not only to the understanding of uncertainties in composite structures but also provides valuable tools for engineers to optimize designs iteratively and rigorously.
- español
