Tesi doctoral de Sergio Alonso Medina Escobar: "Methodology for the experimental characterisation of mode I delamination under different loading rates". Direcció: Dr. Norbert Blanco i Dr. Emilio González. Departament d'Enginyeria Mecànica i de la Construcció Industrial
La caracterització de la tenacitat a la fractura interlaminar dels materials compostos respecte la velocitat de deformació ha estat un tema rellevant de recerca durant les últimes dècades. Tot i així, els resultats obtinguts fins ara no són concloents i es fa necessari continuar investigant sobre el tema. Al mateix temps, una correcta catacterització d'aquestes propietats permetria el desenvolupament de models constitutius adaptats per a la simulació d'esdeveniments dinàmics.
El treball de recerca durant aquesta tesi parteix de la identificació i la comprensió dels paràmetres de govern involucrats en els assajos dinàmics de tenacitat a la fractura en mode I. Amb això en ment, es proposa un criteri de temps límit o llindar amb la finalitat de determinar quan es poden menysprear els efectes dinàmics durant l'anàlisi d'un assaig de doble biga en voladiu (o de l’anglès, Double Cantilever Beam, DCB) en assaigs amb alta velocitat d’aplicació de la càrrega. El criteri compara el temps després del qual es poden menysprear els efectes d'inèrcia, conegut com temps de transició, amb el temps transcorregut per a l'inici de la propagació de la fractura. En concret, es consideren tres mètodes diferents per a determinar el temps de transició: un mètode analític, un mètode basat en una anàlisi numèrica i un mètode gràfic per mitjà de simulació per elements finits. Al comparar els resultats de les expressions obtingudes amb els resultats de simulacions numèriques es troba un comportament similar entre ells. També es demostra que el temps de transició es veu afectat pel perfil de velocitat de càrrega. Finalment, es pot esmentar que tant el criteri límit com la metodologia proposada per a determinar el temps de transició són eines útils per a definir quan es pot utilitzar un esquema de reducció de dades quasi-estàtic. Això permet un marc inicial per a delimitar l'anàlisi de les proves sota condicions de càrrega a alta velocitat.
De l'anàlisi específica de la bibliografia dels mètodes d'assaig es pot concloure que no existeix un consens sobre quin és el millor mètode d'assaig per a caracteritzar la tenacitat a la fractura interlaminar en materials composits a alte velocitat de càrrega. En aquesta tesi es presenta un nou mètode d'assaig, el Guided Double Cantilever Beam (GDCB), o assaig de doble biga en voladiu guiat, per a mesurar aquesta tenacitat a la fractura interlaminar en mode I en laminats compòsits i unions adhesives sota velocitats de càrrega mitjanes/altes. El dispositiu proposat garanteix una obertura simètrica de l'esquerda i, per tant, una propagació en mode I pur durant els assajos a alta velocitat de càrrega. Quan s'utilitza en una màquina servohidráulica d'assajos dinàmics, es pot assolir una velocitat d'obertura constant dels braços. El mètode d'assaig GDCB es valida comparant amb un assaig quasi-estàtic de DCB, obtenint una bona concordança entre els resultats d’ambdós mètodes. A més, el dispositiu GDCB ha estat patentat amb el número de patent WO/2022/003219.
També s'ha investigat la resposta mecànica a la velocitat de càrrega de la delaminació en mode I en compòsits i unions adhesives. Fent ús del mètode d'assaig GDCB proposat, s'avaluen tres estratègies diferents de reducció de dades: una formulació basada en el desplaçament dels braços en el punt d'aplicació de la càrrega, una formulació local en base als desplaçaments dels braços prop de la punta d'esquerda, i un mètode d'avaluació numèrica basat en els desplaçaments experimentals dels braços. Tots ells pretenen tenir en comptes els efectes dinàmics presents durant l’assaig. Comparant els resultats obtinguts amb els tres mètodes es poden detectar petites diferències. Així i tot, no s'ha evidenciat una clara dependència de la tenaticat a fractura amb la velocitat de càrrega per al material compost ni tampoco per la unió adhesiva utilitzada.
Finalment, s'ha proposat una metodologia per a la caracterització dinàmica en mode I de laminats compostos i unions adhesives de baix comportament plàstic. La metodologia s'estableix per a un ampli rang d'assajos, des de quasi-estàtics fins a velocitats de càrrega elevades (velocitats d'obertura dels braços de fins a 30 m/s). La metodologia cobreix els mètodes d'assaig, els mètodes de reducció de dades i la instrumentació de l'assaig per a obtenir els paràmetres necessaris en la reducció de dades.