Development and validation of numerical modeling approaches for triaxially braided composites

Resumen

En los últimos años, el uso creciente de materiales compuestos ha adquirido un gran papel, no solo industrial, sino también en campos como la construcción, el transporte o la industria militar, lo que plantea la necesidad de un proceso de fabricación automatizado, rentable y de calidad. El proceso de trenzado de materiales compuestos permite la producción automatizada de una variedad de preformas debido a habilidad inherente para adaptarse a formas complejas, junto con un bajo desperdicio de material y un buen conjunto de propiedades mecánicas. Los tejidos trenzados triaxiales bidimensionales se destacan como arquitecturas de refuerzo muy prometedoras para materiales compuestos con una rigidez y resistencia cuasi-isotrópicas mejoradas, así como resistencia a la propagación de grietas bajo fatiga y cargas dinámicas. Sin embargo, la arquitectura del tejido controla el comportamiento del material, lo que resulta en una variación de las propiedades mecánicas en una estructura compuesta compleja. Hoy en día, no se dispone de una metodología numérica establecida para el estudio del comportamiento mecánico de los compuestos trenzados triaxiales. Por lo tanto, el objetivo principal de esta tesis es crear un marco de modelado multiescala para la predicción y análisis de materiales compuestos triaxiales. Esto requiere un enfoque eficiente de modelado de celdas unitarias y métodos macroscópicos para predecir y analizar las propiedades mecánicas de grandes componentes. Además, se ha llevado a cabo un trabajo adicional en el modelado de la arquitectura del tejido y en su caracterización mecánica, necesarios para determinación de los datos de entrada del modelo y su validación, respectivamente. Los parámetros de la arquitectura de haces para los tejidos compuestos trenzados triaxiales de maxos a 60 grados se determinaron usando robustas técnicas de observación como microscopía óptica y análisis superficial de imágenes. Los experimentos mecánicos en el plano demostraron que el comportamiento mecánico era esencialmente no lineal. La deformación inelástica y el daño se identificaron como los mecanismos subyacentes, atribuidos a la rotura microscópica en la interfaz fibra / matriz. Los principales modos de fallo observados estaban dominados por la rotura de los mazos de fibra y el agrietamiento de la matriz, siendo la rotura controlada por los mazos orientados a 60 grados. Una metodología innovadora, genérica, computacionalmente eficiente y paramétrica de elementos finitos basada en el modelado de celdas unitarias, utilizando elementos placa, fue desarrollada y aplicada para predecir el comportamiento mecánico de los compuestos trenzados triaxiales. Se obtuvo una buena correlacion entre las distribuciones de tensiones experimentales y las obtenidas mediante los modelos continuos de celdas unitarias. Una metodología de modelado macroscópico ha sido desarrollada para simular la resistencia en el plano, las propiedades de fractura y para estudiar los efectos del tamaño del agujero en la resistencia a la tracción de materiales compuestos trenzados triaxiales. Los parámetros de entrada del modelo macroscópico se calcularon a partir de los resultados de las celdas unitarias. Los análisis macroscópicos demostraron que es crucial para la predicción de fallos usar un modelo laminado equivalente que proporcione los esfuerzos en las direcciones del haz. Las predicciones, empleando un modelo de daño continuo basado en el criterio de fallo 2D de Hashin combinado con un modelo de daño continuo basado en la disipación independiente de las energías de fractura asociadas con los mecanismos principales de daño, estuvieron en buena correlación con los experimentos. En los anexos se presenta un intento de validar el modelo usándolo para la simulación de la caracterización del impacto a baja velocidad. Los resultados y el por qué las energías de fractura usadas asociadas con los fallos de la matriz y la fibra a tracción obtenidas en la caracterización virtual representan incorrectamente los mecanismos de disipación de energía, son discutidos. Se concluye con que la metodología de modelización propuesta puede considerarse validada mediante la realización de ensayos experimentales, lo que demuestra un método rápido y válido para la predicción de propiedades mecánicas que podría aplicarse a otras arquitecturas de fibra. Los trabajos futuros y posibles técnicas de optimización son discutidos.