Modelación y experimentación del comportamiento mecánico de materiales compuesto de fibra de carbono sometido cargas cíclicas biaxiales

Abstract

RESUMEN: El uso de materiales compuestos se ha extendido a diferentes aplicaciones, entre las cuales se encuentran comúnmente el uso de placas delgadas sometidas a cargas biaxiales utilizadas en la industria automotriz y aeroespacial. Por lo que es importante una probeta confiable para caracterizar estos materiales bajo cargas biaxiales. Esta fiabilidad depende de mediciones que sean precisas y repetibles. Por lo tanto, estas mediciones dependen del diseño adecuado de las probetas. Este trabajo revisa el desarrollo de equipos biaxiales a fatiga y de probetas cruciformes de materiales compuestos de fibra de carbono y cómo la forma geométrica ha evolucionado. Basándose en esta revisión, se propone una nueva forma geométrica de probeta. Esta mejora se basa en el análisis numérico de la probeta y los resultados de las pruebas de las mediciones experimentales llevadas a cabo utilizando un equipo de cuatro pistones en una disposición ortogonal. La deformación se mide en el centro de la muestra utilizando medidores de deformación. Al obtener los esfuerzos principales, se requiere que los esfuerzos máximos se produzcan en el centro de la probeta, lo cual aún no se ha logrado con precisión para obtener valores de esfuerzo y deformación confiables. Los materiales compuestos muestran un comportamiento complicado en las condiciones biaxiales de carga, que a menudo existen en aplicaciones de la ingeniería. La principal razón para usar la prueba biaxial, en oposición a la prueba uniaxial común, es que la forma de material compuesto es en gran parte anisotrópico, es decir, tiene una resistencia mecánica variable en diferentes direcciones debido al proceso de fabricación. La carga biaxial puede causar fallas en el material a cargas mucho menor que el determinado por las pruebas de tensión uniaxial y a fatiga. Esta tesis se centra en el estudio de la degradación del material compuesto producida por la aplicación de cargas cíclicas biaxiales. Las tareas que se han realizado son: i) Estudiar los mecanismos que son responsables del comportamiento mecánico del material compuesto, en especial los que aparecen en compuestos sometidos a cargas estáticas y cíclicas, ii) Revisar los modelos estáticos y de degradación por fatiga para el material compuesto propuestos por otros autores, iii) Diseñar un equipo y una probeta para pruebas biaxiales, iv) Proponer un modelo constitutivo que permite simular su comportamiento mecánico y su durabilidad, y finalmente, iv) Aplicar las pruebas a las probetas diseñadas y fabricadas. ABSTRACT: Composite materials derived from resin and carbon fiber are being extensively employed in various applications commonly used in laminates subject to biaxial loads in automotive and aerospace industries. Hence, the importance of a reliable specimen to characterize these materials under biaxial loads. The reliability is dependent on the precision and repetitive measurements as well as an adequate specimen design. This thesis reviews the development of biaxial equipment fatigue and cruciform specimens made of carbon fiber composite materials and the evolution of its geometrical properties. Based on this review, a specimen with new geometric properties is proposed. It has been enhanced through a numerical analysis and with experimental test results performed by using a four-piston testing machine in an orthogonal layout. Deformation is measured within the center of the specimen applying strain gauges. When main stress is achieved, the maximum stress is required to occur in the center of the specimen, which has not yet been achieved with precision to obtain reliable stress and deformation values The composite materials show a complex behavior in biaxial load conditions, which frequently exist in engineering applications. The main reason for using a biaxial test rather than a uniaxial is due to the anisotropic form of the composite material. In other words, its mechanical resistance presents itself in different directions due to its fabrication process. Another major reason for using a biaxial load test is due to its ability to identify small failures in materials, impossible to determined by an uniaxial test. This thesis is centered on the study of degradation produced in composite materials by cycle biaxial loads. The following tasks have been performed are: i) A study of the mechanisms responsible for the mechanical behavior of composite materials particularly those put under static and cycle loads, ii) A revision of static and degradation fatigue models in composite materials proposed by other authors, iii) Equipment and a specimen design to perform biaxial tests, iv) The proposal of a constitutive model that will allow the simulation of its mechanical behavior and its durability, finally, iv) The application of tests to the designed and manufactured specimens.