Metodologia per a la simulació d'impacte a baixa velocitat

Els materials compòsits són actualment utilitzats en diferents sectors industrials que busquen la reducció de pes estructural amb la finalitat de reduir el consum de combustible. La rigidesa i resistència que ofereixen en relació amb el seu pes els ha convertit en una excel·lent opció per aplicacions aeronàutiques. No obstant això, les càrregues a impacte són una de les principals preocupacions en el disseny d'estructures aeronàutiques fabricades amb laminats de material compòsit. És especialment el cas d'impactes a baixa velocitat que deixen dany difícil de detectar durant inspeccions visuals però que poden reduir significativament la resistència de l'estructura. L'ús de models numèrics fiables pot ajudar a reduir l'actual nombre d'assaigs experimentals que són costosos tant en temps com econòmicament. Tanmateix, l'aplicació de models numèrics en estructures de material compòsit de gran dimensió es veu limitada pel cost computacional que representen. A més, els models numèrics requereixen moltes definicions que afecten la seva eficiència, precisió, objectivitat i robustesa. La present tesi té com a objectiu desenvolupar una metodologia clara i eficient per realitzar prediccions fidedignes d'impacte a baixa velocitat i compressió després d'impacte en estructures de material compòsit que pugui ser aplicada en casos de rellevància científica i industrial.
En primer lloc, es descriu una metodologia per a la simulació d'impacte a baixa velocitat i compressió després d'impacte en laminats de compòsit la qual és validada experimentalment a escala de proveta de laboratori. Les definicions més importants es discuteixen i es té especial atenció en aquelles que afecta l'eficiència computacional. Per una òptima discretització del model és desitjable conèixer la longitud de zona cohesiva. Noves fórmules per predir la longitud de zona cohesiva en delaminació es proposen per modes purs de fractura. Es realitza un estudi numèric comparatiu de diferents tecnologies d'element finit i d'interacció cohesiva típicament utilitzades en la literatura amb la finalitat de comparar la seva precisió i eficiència computacional. A més, es proposen criteris per definir paràmetres numèrics del model cohesiu que afecten el temps computacional.
Els models numèrics poden ajudar a entendre la seqüència de dany durant esdeveniments d'impacte, els quals poden ser complicats d'analitzar experimentalment. La metodologia proposada s'aplica per predir la resposta a impacte i compressió després d'impacte en laminats de capes primes. És un cas que representa un repte computacional per l'elevat nombre de capes i interfases involucrades. Els resultats numèrics contrastats experimentalment indiquen que els efectes de trencament de matriu es poden obviar mentre que la delaminació i especialment la forma de la llei cohesiva de la fibra són de gran importància en les prediccions de laminats de capes primes.
Finalment, la metodologia s'aplica per la predicció de sub-components rigiditzats de material compòsit amb la finalitat de mostrar que la metodologia permet anàlisis a escales majors. Es demostra el potencial de la metodologia i tècniques utilitzades per adreçar problemes d'interès industrial com és la predicció de la resistència d'un panell rigiditzat abans i després de ser danyat per un eventual impacte.

Lectura de la tesi: 07/09/2018, Auditori de l'Escola Politècnica Superior I