Caracterización de paneles Sandwich híbridos FRP con alma de nido de abeja de aluminio

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales TESIS DE MASTER CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO Alumno: Juan Maria Malavia Otero Dirigida por: Dr.D. Alfonso Cárcel González UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 2 Resumen En este trabajo se analiza teórica y experimentalmente la estructura y propiedades mecánicas de paneles sándwich fabricados con piel de laminados reforzados con tejidos de fibras de carbono o de vidrio, y con alma de panal de abeja de aluminio, empleados en la construcción de estructuras de chasis monocasco de vehículos de competición. El objetivo global del trabajo es, por una parte, el análisis estructural y por otra, la determinación experimental de valores de resistencia y rigidez, que permitan su completa caracterización para modelización mediante elementos finitos. Se correlacionan los factores de composición, estructura y diseño con las propiedades mecánicas de rigidez, resistencia y modos de colapso. Palabras clave: Paneles sándwich; laminados; tejidos de fibra de vidrio; panal de abeja de aluminio; UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 3 Abstract This work was aimed at analyzing the structure and mechanical properties of sandwich panels that combine external faces of reinforced polymer laminates and aluminum honeycomb core materials, currently used in the construction of monocoque structures for racing cars. The overall objective of the work is, on the one hand, the structural analysis of the sandwich panels and on the other, the experimental determination of strength and stiffness values, which enable a complete characterization for finite element modeling. Design, composition and structure of the core and laminates in the sandwich are correlated with the mechanical properties and collapse modes of the panels. Key words: Sandwich panels; laminates; glass fiber fabrics; aluminum honeycomb; UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 4 Resum En aquest treball s'analitza teòrica i experimentalment l'estructura i propietats mecàniques de panells sandwich fabricats amb pell de laminats reforçats amb teixits de fibres de carboni o de vidre, i amb ànima de panal d'abella d'alumini, emprats en la construcció d'estructures de xassís monocasc de vehicles de competició. L'objectiu global del treball és, d'una banda, l'anàlisi estructural i per altra, la determinació experimental de valors de resistència i rigidesa, que permeteixen seua completa caracterització per modelització mitjançant elements finits. Es correlacionen els factors de composició, estructura i disseny amb les propietats mecàniques de rigidesa, resistència i modes de colapse. Paraules clau: Panells sandwich, laminats, teixits de fibra de vidre, bresca d'abella d'alumini; UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 5 A los que están cerca, a los que están lejos, pero sobre todo, a los que ya no están Shirley Kalamis UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 6 Agradecimientos En primer lugar debo agradecer el hecho de poder realizar esta Tesis de Master a mi director, Alfonso, debo agradecer su comprensión y paciencia durante la realización de este trabajo ya que han sido numerosas las horas que me ha dedicado y siempre con entusiasmo e ilusión. He encontrado en el los consejos y conocimientos necesarios para llevar a cabo este trabajo. Además de ser un gran profesional es una bellísima persona. Por otro lado, se merecen un especial agradecimiento todos los profesores y personal administrativo del área de ingeniería mecánica ya que conforman un grupo excelente dónde se crea un entorno más que agradable para trabajar, estudiar y disfrutar. Tampoco me puedo olvidar de todos mis compañeros del Máster, y muy especialmente a Peter, Carlos, Justo, Jesús, Álvaro y Juanvi, siempre estaban ahí para pasar los momentos más difíciles en las asignaturas, para ayudarnos mutuamente y por ayudarme en la elaboración de esta Tesis. Agradezco también a mis amigos por comprender la dedicación que he tenido que prestar a este proyecto de investigación a cambio de su compañía. Ellos, desde hace ya muchos años, vienen acompañándome en los momentos divertidos, y los no tanto. Sería imposible poner nombre ya que la ayuda recibida a lo largo de mi vida ha sido múltiple y de muchos de ellos. A la persona más importante de mi vida, mi novia Marta. Sin ella puedo asegurar que todo me hubiera resultado mucho más difícil de lo que ha sido, pues en cualquier mal momento, y con una sola frase y caricia, es capaz de sacarme de la oscuridad y retomar la luz para afrontar cualquier situación, convirtiéndose en mi principal fuente de motivación UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 7 Dedico fundamentalmente la Tesis a mis padres, Juan y Milagros. Me han transmitido una fuerza y motivación indispensable para afrontar esta etapa. Gracias por haberme dado la oportunidad de cumplir un sueño, por confiar en mí y ayudarme en todo lo que he necesitado. A mi hermana Cristina, debo agradecer su capacidad para animarme en todo momento, sin esas frases llenas de cariño y motivación no hubiera sido posible esta Tesis ni muchas otras cosas, ha sido siempre el mejor espejo en que mirarme, siento una profunda admiración hacia ti. A mis abuelos Faustino, Carlos, Francisca y Milagros, por su incondicional cariño y valores transmitidos, un momento con ellos suponen recuerdos de por vida. A mi tío Francisco, por sus sabios consejos y por crear en mí un enorme grado de motivación en momentos muy importantes de mi vida. A mis sobrinos y ahijada, Carlos y Mª Carmen, simplemente sois geniales, pese a la lejanía el recuerdo de los momentos pasados juntos es un gran apoyo hacia mí. Mención especial en esta dedicatoria deben tener mis sobrinos Guillermo y Lucia, cualquier cosa buena que diga de ellos se quedaría corta ya que todo el cariño que siento hacia ellos es indescriptible con palabras; simplemente son maravillosos y simplemente una sonrisa suya me da ánimos para afrontar cualquier tarea que me proponga; actualmente son el principal motor de mi vida. Sin vosotros esta Tesis no hubiera sido posible, gracias Valencia, Septiembre del 2012 UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 8 UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 9 INDICE Resumen ................................................................................................... 2 Abstract ..................................................................................................... 3 Resum ....................................................................................................... 4 Agradecimientos ....................................................................................... 6 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................. 12 1.1 ESTRUCTURAS SANDWICH ................................................................. 13 1.2 TIPOS DE MATERIALES SANDWICH .................................................. 15 1.3 PANELES SANDWICH EN LOS VEHICULOS DE COMPETICION . 16 1.4 OBJETIVO DEL PRESENTE TRABAJO ............................................... 31 2. ESTRUCTURAS SANDWICH .............................................................. 32 2.1 CARACTERÍSTICAS DE UN PANEL SÁNDWICH .............................. 33 2.2 COMPONENTES DE UNA ESTRUCTURA SÁNDWICH .................. 38 2.2.1 PIELES ................................................................................................. 39 2.2.2 NÚCLEO .............................................................................................. 45 2.2.3 ADHESIVO .......................................................................................... 52 2.3 COMPORTAMIENTO MECÁNICO ......................................................... 53 2.4 CARACTERIZACION DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE UN PANEL SANDWICH. ....................................................................................... 58 2.5 MODOS DE FALLO ................................................................................. 60 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ................................................... 71 UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 16 1.3 PANELES SANDWICH EN LOS VEHICULOS DE COMPETICION Los materiales compuestos se definen como materiales'' en los que dos o más constituyentes se han reunido para producir un material nuevo que consta de al menos dos componentes distintos químicamente, con propiedades resultantes significativamente diferentes a las de los constituyentes individuales”. Una descripción más completa también exige que los componentes deben estar presentes en proporciones razonables. El cinco por ciento en peso es arbitrariamente considerado como el mínimo, y el material debe ser producido deliberadamente por mezcla íntima de los constituyentes. En una escala microscópica los compuestos tienen dos o más fases químicamente distintas, separadas por una interfaz distinta. Esta interfaz tiene una gran influencia en las propiedades del material compuesto. La fase continua es conocida como la matriz. Generalmente, las propiedades de la matriz se mejoran enormemente mediante la incorporación de otro constituyente para producir un material compuesto. Un compuesto puede tener una matriz de material cerámico, metálico o polimérico. La segunda fase se conoce como el refuerzo, ya que mejora las propiedades de la matriz y en la mayoría de los casos, el refuerzo es más duro, más fuerte y más rígido que la matriz Los materiales compuestos se pueden dividir en dos clases: aquellos con fibras largas (compuestos reforzados con fibras continuas) y aquellos con fibras cortas (compuestos reforzados con fibras discontinuas). En un compuesto de fibra discontinua, las propiedades del material se ven afectadas por la longitud de la fibra, mientras que en un compuesto de fibra continua, se supone que la carga se transfiere directamente a las fibras y que las fibras en la dirección de la carga aplicada absorben la principal carga. Los materiales poliméricos son las matrices más comunes para materiales compuestos reforzados con fibra. Ellos se pueden subdividir en dos tipos distintos: termoendurecibles y termoplásticos. Polímeros UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 17 termoestables son resinas que se reticulan durante el curado en un sólido quebradizo vítreo, siendo ejemplos poliésteres y resinas epoxi. Los polímeros termoplásticos son de alto peso molecular, las moléculas de cadena larga que, o bien se pueden enredar (amorfo), tal como policarbonato, o parcialmente cristalino, tal como nylon, a temperatura ambiente para proporcionar fuerza y forma. En común con todas las aplicaciones estructurales de compuestos de matriz polimérica, las estructuras en los vehículos de competición está dominada por los basados en resinas termoendurecibles, en particular resinas epoxídicas.[1,12] ¿Qué es importante en los materiales compuestos respecto a los constituyentes metálicos?, poseen densidades mucho menores. Compuestos reforzados de fibra por lo tanto presentan mejoradas enormemente las propiedades de resistencia específica y la rigidez por unidad de masa. Las propiedades específicas más altas permiten la producción de componentes de menor peso. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 18 Figura 1.4.Chasis Formula 1 Los diseñadores de estructuras sensibles al peso tales como aviones y los vehículos de competición requieren materiales que combinan buenas propiedades mecánicas con bajo peso. Desde finales de 1930 las aleaciones de aluminio han sido los materiales dominantes. Durante las dos últimas décadas los materiales compuestos se han empleado cada vez más. Las estructuras compuestas están diseñadas para tener una cantidad exactamente definida de las fibras en la ubicación y orientación correctas con un mínimo de polímero para proporcionar el apoyo. Una estructura compuesta se fabrica apilando capas sucesivas de material pre impregnado y curado bajo condiciones de temperatura y presión. Muchos componentes consisten en la construcción sándwich; pieles finas, forman un compuesto altamente resistente que están separadas por, y unida a, una alma gruesa, que es el denominado nido de abeja de peso ligero. Cuanto más grueso es el núcleo, mayor es la rigidez y la resistencia del componente. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 19 Figura 1.5. Comparación de propiedades de los paneles sandwich con respecto a paneles solidos comunes Figura 1.6. Estructura básica de un panel sandwich,adhesivo,nucleo en panel de abeja y pieles. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 20 Figura 1.7.Frontal de un vehículo de Fórmula 1 cargado en tensión. Los primeros usos documentados de construcción mixta en coches de competición se remontan a finales de 1920 y principios de 1930, en forma de chasis de madera y acero . Es más probable, sin embargo que el uso de madera como material de chasis fue debido, principalmente, al bajo costo y la conveniencia para mejorar el rendimiento. Hasta la década de 1950 el método predominante de construcción del chasis de los vehículos de competición consistía en una estructura de aluminio espacio tubular rodeado por paneles de aluminio trabajados a mano. Se hicieron ampliamente disponibles en ese momento esterillas irregulares de vidrio y resinas de poliéster (Glass Reinforced Plastic) desarrolladas en la investigación en tiempos de guerra. Este material permitió la producción relativamente barata del chasis complejo de curvatura que sustituyó aluminio. El uso de paneles de GRP continuó hasta a finales de 1980. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 21 El primer chasis verdaderamente compuesto fue construido en la década de 1960 por los coches de Cooper. La estructura consistía en una piel externa de aluminio trabajada a mano, un núcleo de nido de abeja de aluminio y un revestimiento interior GRP. Una piel de una sola pieza exterior se producía a partir de una serie de paneles para formar la superficie final aerodinámica del coche. El núcleo de nido de abeja de aluminio se unió entonces a la parte interior de la piel exterior usando un adhesivo de película de resina fenólica. La piel interior de GRP se une de manera similar a la estructura en una operación separada. Aunque el coche nunca llegó a la pista, se convertiría en la base del diseño de chasis de Fórmula 1 para las próximas dos décadas. En la década de 1970 el método preferido de construcción del chasis de aluminio compuesto era el que utiliza piel y material de aluminio de nido de abeja (fabricado usando el método de corte y doblez). Las pieles se formaban previamente y posteriormente se unían al núcleo usando una película de adhesivo epoxi. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 22 Figura 1.8.Chasis de panel de abeja de aluminio fabricado mediante el método de corte y doblez Los chasis compuestos de fibra de carbono fueron introducidos por primera vez por McLaren en 1980. Se trataba de pseudo-monolítico con disposición prevista a lo largo de un molde o mandril utilizando de manera unidireccional (UD) fibra de carbono con cinta pre - impregnada . Después de un curado del compuesto, se requiere una cura de tres etapas:. una para la piel compuesta interior, un segundo para curar el adhesivo de película epoxi que une el núcleo y una tercera para una capa adicional de adhesivo y la piel exterior de la estructura . El diseño básico y el proceso de fabricación se mantuvieron esencialmente sin cambios durante un número de años aunque se introdujeron las pieles formadas de un compuesto de carbono y epoxi reforzado con kevlar. En 1980, la reputación de los materiales compuestos con respecto a cargas de impacto era muy pobre como consecuencia de los problemas experimentados en componentes de motores de aviación a principios de UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 23 1970 y en los fracasos de los primeros componentes de automóviles de carrera. De hecho muchos diseñadores de renombre expresaron serias dudas en cuanto a la idoneidad de tales materiales frágiles. A pesar de las reticencias de muchos de sus competidores, el McLaren MP4 / 1, el primer monocasco de fibra de carbono de carreras de coches tuvo tanto éxito que fue copiado pronto, de una forma u otra, por cualquier otro fabricante. Estos chasis fueron la base de los actuales. Figura 1.9. McLaren MP4 / 1 Quedó claro que, además de mejorar las propiedades mecánicas y disminuir el peso del chasis compuesto, los daños causados por accidentes se vio limitada a la localidad del impacto. Las reparaciones podrían ser ejecutadas de forma rápida y eficaz con poca o ninguna pérdida en el rendimiento, además presentaban la ventaja principal de la capacidad de soportar una gran colisión. La energía que absorbe estos materiales compuestos presenta un gran avance en la seguridad de este tipo de vehículos. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 24 Figura 1.10.Chasis McLaren MP4 / 1 tras colisión Desde entonces estos materiales se han ido imponiendo en la construcción de los elementos del vehículo. A principios de 1990, Savage y Leaper de McLaren desarrollan elementos compuestos de suspensión. Figura 1.11. Suspensión a partir de materiales compuestos Además de los ahorros de peso obvios, por ejemplo las varillas de material compuesto de empuje y brazos oscilantes tienen durabilidad a fatiga casi infinita y así se puede hacer mucho más rentable que las piezas de acero que sustituyen. La última innovación fue la introducción de una caja de cambios con materiales compuestos en 1998, aunque el verdadero potencial de estas estructuras se realiza plenamente sólo a partir de 2004 UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 25 por el equipo BAR-Honda. Cajas de engranajes compuestos (Fig. 112) son significativamente más ligeras que las cajas de aleación tradicionales, hasta un 25% más de rigidez, se puede operar a temperaturas más altas y son fáciles de modificar y reparar. Figura 1.12.Caja de engranajes Materiales compuestos de fibra de carbono ahora representan casi el 85% del volumen de los materiales utilizados en la Formula 1.Además del chasis hay carrocería compuesta, conductos de refrigeración para los radiadores y los frenos delanteros, estructuras de choque trasero y laterales, suspensión, caja de cambios, el volante y la columna, además de los frenos carbono-carbono y embragues, y elementos alrededor de los orificios de escape. En el mercado, las fibras de carbono producidas a partir de precursores acrílicos mantienen un dominio abrumador. Como regla general, el módulo de fibra de carbono aumenta al aumentar la temperatura del tratamiento térmico (HTT) y la aplicación de la tensión durante el procesamiento. Esto se produce debido a que la morfología de la fibra se aproxima a una estructura cristalina más grafítica, preferentemente alineados a lo largo del eje de la fibra a medida que aumenta el HTT. Teóricamente su resistencia y ductilidad también debería mejorar por el mismo principio. En la práctica sin embargo la fuerza del poliacrilonitrilo (PAN) basado en fibras de carbono tiende a alcanzar un pico en 1500 ° C y después comienza a UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 32 2. ESTRUCTURAS SANDWICH UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 33 2.1 CARACTERÍSTICAS DE UN PANEL SÁNDWICH Las primeras estructuras de materiales compuestos fueron tipo "sándwich", y se obtenían ensamblando por pegado (o soldadura) dos láminas delgadas y de alta resistencia, denominadas pieles, y una placa gruesa de material ligero, denominada núcleo, de bajas características mecánicas. Los paneles sándwich pueden ser construidos de una gran variedad de formas y con una gran variedad de materiales, pero la mayoría de las estructuras sándwich empleadas en construcciones aeronáuticas y automovilísticas están fabricadas con láminas de material compuesto de fibra de carbono o fibra de vidrio, que forman las caras que se unen al núcleo. El análisis estructural del presente documento se va a centrar en un panel sándwich con núcleo tipo "honeycomb", con los bordes biselados y las caras constituidas por un material ortótropo, como el que se muestra en la Figura 2.1. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 34 Figura 2.1. Esquema de panel sándwich con núcleo nido de abeja La cara plana se denomina cara útil, y la opuesta se denomina cara bolsa. Ésta denominación se la deben al proceso de fabricación mediante bolsa de vacío, donde la cara útil es la que apoya en el útil de fabricación, y la cara bolsa es la que está en contacto con la bolsa de vacío. La cara bolsa sigue el contorno del núcleo, formando una pendiente hasta que termina el núcleo y se encuentra con la cara útil. La región donde se unen cara útil y cara bolsa se denomina pista, y la zona donde el núcleo tiene espesor constante se llama zona “bulk”. El material del núcleo se elige para aligerar el peso de la estructura, y debe ser compatible con el material de las láminas de los revestimientos, y con los métodos de fabricación usados para unir las caras al núcleo. Si se eligen los materiales del núcleo y de las caras de forma apropiada, se pueden conseguir relaciones de rigidez y resistencia frente al peso mayores de las que se pueden alcanzar con otros tipos de estructuras. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 35 Este tipo de construcción permite obtener elevados valores de rigidez a flexión con un peso mínimo, en comparación con los laminados monolíticos. En la mayoría de los casos, la principal razón por la que se usan las estructuras tipo sándwich es por el ahorro de peso, pero también aportan otras ventajas. En la selección de este tipo de estructuras frente a las monolíticas se deben considerar las complicaciones de fabricación derivadas, que pueden hacer aumentar los costes por encima de las construcciones monolíticas [10,11,12,13]. Entre las características más favorables de estos materiales de cara a su aplicación, cabe citar las siguientes [12]: a) Ligereza. Así, por ejemplo, la cúpula de San Pedro en Roma, realizada a base de piedra, tiene una densidad área de 2600 kg/m2. Si se hubiese utilizado material compuesto tipo sándwich -cosa imposible por la época en que se construyóa base de acero en las pieles junto con un núcleo de espuma de poliuretano, la densidad área resultante hubiera sido de 33 kg/m2. b) Rigidez a flexión. Para ilustrar este aspecto, en la Figura 2.2 se muestra una comparación entre la rigidez a flexión, resistencia y peso de varias configuraciones estructurales para una placa. La primera, de izquierda a derecha, que además es la que se toma como referencia asignando un valor unidad a las propiedades anteriormente enumeradas, corresponde a una placa de aluminio de espesor t. En la segunda, las pieles son de aluminio y el espesor total es 2t. Lo mismo ocurre con la tercera configuración sólo que, ahora, el espesor es 4t. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 36 Figura 2.2. Efecto del espesor del núcleo en la rigidez y resistencia a flexión y en el peso de la estructura De la comparación entre los valores de la tabla anterior se desprende que, sin prácticamente aumento de peso, la rigidez a flexión se incrementa considerablemente en las soluciones segunda y tercera respecto de la primera, sucediendo lo mismo con la resistencia. c) Aislamiento térmico. Los materiales tipo sándwich tiene gran capacidad aislante. Comparando una placa metálica, de 2 mm de espesor y un panel tipo sándwich de 7 mm de espesor, siendo el núcleo de espesor de 5 mm; las potencias caloríficas que se transmitirían serían de 1 Mw para la placa metálica y de 300 w para la placa sándwich, lo que demuestra la capacidad de aislamiento térmico que ofrecen estos materiales tipo sándwich. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 37 Las características menos favorables derivadas de la utilización de este tipo de materiales son: - Mal aislamiento acústico. - Mala resistencia al fuego de determinados materiales que se utilizan como núcleo. - Los riesgos de fuego son más elevados que cuando se utilizan materiales estructurales clásicos. - Punzonamiento o hundimiento local. Es sensible a cargas de impacto, se produce fallo del núcleo a compresión cuando los revestimientos son muy delgados. -Baja hermeticidad frente al agua, lo que puede provocar la degradación del adhesivo y posteriormente del núcleo. Se suele dar debido al pequeño espesor del laminado que constituyen los revestimientos en la zona bulk. Una estructura sándwich presenta buen comportamiento a fatiga, debido a que las caras están unidas de forma continua al núcleo, lo que hace que las tensiones residuales sean mínimas. En las estructuras sándwich con núcleo tipo "honeycomb" (nido de abeja) las caras no están continuamente apoyadas en el núcleo. Cada celda del "honeycomb" deja una porción de cada una de las caras de la estructura sin apoyar, y debe constituir un parámetro crítico en el diseño de una estructura sándwich, dependiendo de la geometría de la celda y de las propiedades de las caras. En cuanto a la fabricación de las estructuras sándwich, los revestimientos se pueden curar separadamente y pegar posteriormente al núcleo, cocurar con el núcleo en una única operación o se pueden combinar ambos métodos. El primer tipo de procedimiento asegura un buen acabado superficial de los revestimientos pero puede presentar problemas de ajuste UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 38 entre los revestimientos y el núcleo. El segundo tipo de procedimiento, por el contrario, suele presentar un pobre acabado superficial aunque el ajuste con el núcleo es mucho mejor. El acabado superficial se puede mejorar utilizando un segundo revestimiento cocurado con el primero o curado en un ciclo posterior. Los revestimientos cocurados suelen presentar peores propiedades mecánicas. 2.2 COMPONENTES DE UNA ESTRUCTURA SÁNDWICH Como se ha comentado anteriormente, las estructuras tipo sándwich están formadas por dos láminas delgadas o pieles que encierran al núcleo. Esquemáticamente, se muestra la configuración de este tipo de materiales en la siguiente figura, donde sólo se representa la zona bulk de un panel sándwich Figura 2.3. Esquema de una estructura tipo sándwich Dónde: ep: espesor de la piel en: espesor del núcleo ea: espesor del adhesivo (unión entre piel y núcleo) UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 39 pn: Densidad del núcleo Los valores geométricos característicos, así como el intervalo para los valores típicos densidad del núcleo, de este tipo de materiales son: 10 < en/ep < 100 0.25mm < ep < 12.7mm 20kg/m3 < pn < 1000kg/m3 0.025mm < ea < 0.2mm A continuación se describen las principales características de los tres componentes que constituyen un panel sándwich de los empleados en la industria automovilística 2.2.1 PIELES Los revestimientos o pieles se definen como los laminados de material compuesto que encierran al núcleo en un sándwich. Asimismo, un material compuesto se puede describir como la unión de una resina, que constituye la matriz, con otro material más resistente, las fibras. De forma esquemática: UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 40 Figura 2.4. Material compuesto Se suele definir el material compuesto como la combinación a escala macroscópica de dos o más materiales con interfases de separación entre ellos para formar un nuevo material. En la siguiente figura se presenta una clasificación de los materiales compuestos [15]. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 41 Figura 2.5. Clasificación materiales compuestos. Los materiales compuestos se suministran en forma de rollos de material pre impregnado (fibra impregnada en matriz), de pesos, anchuras y espesores variables. Este proyecto se centra en el estudio de paneles sándwich, cuyas pieles están constituidas de material compuesto reforzado con fibras en dos direcciones. A estas láminas con refuerzo bidireccional entrelazados en direcciones perpendiculares se les denomina tejidos. Las propiedades mecánicas vienen determinadas por las direcciones de los refuerzos, trama y urdimbre. La trama es perpendicular al borde longitudinal del pre impregnado, mientras que la urdimbre es paralela al mismo. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 48 ■ ALTURA: Distancia entre las caras externas del núcleo. ■ DENSIDAD: Parámetro que depende del espesor de hoja, del material y diámetro de la celdilla. Figura 2.10. Celdilla hexagonal de una estructura honeycomb. Los núcleos tipo "honeycomb" presentan las siguientes características: -Soportan cargas a compresión y a tracción. -Tienen excelente rigidez y resistencia específica. Bajo peso. -Tiempo y coste de fabricación reducidos. -Se utilizan en zonas donde no se requieran grandes solicitaciones mecánicas UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 49 TIPOS DE NIDO DE ABEJA [2] Los nidos de abeja pueden ser fabricados utilizando un material base metálico u otro no metálico. A continuación se resumen los materiales más utilizados. Metálicos. Se pueden emplear diferentes aceros y aleaciones ligeras, principalmente de aluminio Entre ellas se encuentran: - Al 3003 o similares, normalmente empleada en usos comerciales no aeronáuticos y comercializada como “commercial grade aluminium honeycomb”. Presenta menor coste y menores propiedades mecánicas que las aleaciones Al-Mg o Al-Cu de uso aeronáutico siguientes: - Al 5052 Aleación muy utilizada en la industria aeronáutica debido a que es resistente a la corrosión. - Al 5056 Esta aleación presenta también una buena resistencia a la corrosión, con unas propiedades mecánicas mejores que la Al5052. No metálicos. - Tejidos de fibra de vidrio impregnados con resina. Presentan un excelente comportamiento a altas temperaturas y unas bajas constantes dieléctricas. - NOMEX® (Fibra de aramida/ resina fenólica). Se caracterizan por su alta resistencia y tenacidad. - Cartón Kraft con resina fenólica. Este material es muy utilizado por su bajo costo y alta resistencia. - Fibra de carbono/resina epoxi. - Tejido Kevlar/resina epoxi. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 50 Los nidos de abeja metálicos resultan baratos y resistentes, mientras que los no metálicos son insensibles a la corrosión y resultan buenos aislantes térmicos. Tabla 2.2 .Principales características de los núcleos de Aluminio [5] Tabla 2.3 .Principales características de los núcleos de Aramida [5] UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 51 Tabla 2.4 .Principales características de los núcleos con fibra de vidrio [5] MÉTODOS DE FABRICACIÓN DEL NUCLEO EN NIDO DE ABEJA. A continuación se resumen los dos métodos de fabricación de núcleos de nido de abeja [15]. • Expansión. Se utiliza tanto para metales como para no metales. La mayoría de los nidos de abeja se fabrican mediante este procedimiento. Sobre láminas del material elegido se distribuye un adhesivo en líneas paralelas, apilando unas láminas sobre otras y curando el conjunto a elevada temperatura en una prensa. Una vez curado se procede a la expansión del bloque. • Corrugación. Se emplea sólo en metales. Las láminas del material seleccionado pasan por unos rodillos corrugadores que le dan a forma final. Posteriormente se aplica el adhesivo y se construye la estructura de nido de abeja. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 52 2.2.3 ADHESIVO Con el fin de unir la piel al núcleo se suele colocar una capa de adhesivo entre ellos. Figura 2.11. Componentes de una estructura sándwich. Dependiendo del procedimiento que se emplee para la fabricación del sándwich se suele utilizar un film de adhesivo o no. Si se lleva a cabo un procedimiento de precurado, en el cual se forman los empilados de fibra en una primera fase y después se unen al núcleo, es necesario emplear una UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 53 capa de adhesivo entre cada revestimiento y el núcleo. En cambio, si se fabrica mediante cocurado no es necesario emplear una capa de adhesivo, ya que la resina de las láminas de fibra puede actuar como medio de unión entre los revestimientos y el núcleo [13]. 2.3 COMPORTAMIENTO MECÁNICO En este tipo de estructuras las caras de material compuesto resisten casi todas las cargas en el plano y los momentos de flexión fuera del plano, proporcionan casi toda la rigidez a flexión porque tienen un módulo de elasticidad más alto que el del núcleo, y están situadas a una mayor distancia del eje neutro de la estructura. El núcleo proporciona distancia entre las caras y les transmite el cortante como una flexión alrededor del eje neutro de la estructura. El núcleo también suministra la rigidez a cortante a través del espesor y estabiliza las cargas en las caras, así las caras se pueden cargar a niveles de tensión más altos que los que puede soportar cualquier placa delgada sometida a cargas de pandeo. La idea básica que permite entender la funcionalidad, en cuanto a resistencia mecánica en este tipo de estructuras, es que al separar los revestimientos se consigue aumentar la rigidez a flexión. Los revestimientos actúan de forma similar a las alas de una viga en I, soportando las cargas de flexión mediante tracción del ala inferior y compresión del ala superior (suponiendo una carga de flexión que traciona el ala inferior y comprime el superior). El núcleo hace una función similar al alma de la viga, resistiendo las cargas de cortadura transversal. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 54 Figura 2.12.Esfuerzos sobre una viga Por tanto, las siguientes hipótesis son las tenidas en cuenta en las estructuras sándwich en cuanto al comportamiento mecánico: ■ Los revestimientos resisten todas las cargas en el plano y los momentos flectores. ■ El núcleo separa los revestimientos y transmite cortadura entre ambos de manera que se pueden considerar efectivos respecto de un eje neutro común. Otra misión del núcleo es evitar que los revestimientos pandeen por separado. ■ Las cargas fuera del plano se suponen reaccionadas por el núcleo. Aunque la rigidez a flexión se ve incrementada significativamente con respecto a una construcción monolítica con el mismo peso, no ocurre lo mismo con la rigidez plana y la resistencia. Para entender la forma de trabajo de un panel tipo sándwich es necesario diferenciar las formas de trabajo de las pieles y el núcleo. Las pieles soportan las cargas inducidas por la flexión y el núcleo el esfuerzo cortante que actúa sobre el panel. Es decir, las pieles trabajan como laminados solicitados por cargas en su plano, soportando el momento flector que aparece sobre el panel. Para comprender mejor el comportamiento de un UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 55 panel sándwich, aunque esto se desarrollará con más profundidad posteriormente, considérese una viga en voladizo, sometida a una carga por unidad de longitud perpendicular al plano del papel de valor P. Como se observa en la figura 2.13, en una sección genérica de la viga, el momento flector será P.x y el esfuerzo cortante P. Figura 2.13. Viga con carga aplicada Las pieles trabajan en su plano sometidas a compresión -la piel superiory a tracción la inferior. La tensión a se considera constante a través del UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 56 espesor de la piel y no se producen estados de cizalladura fuera del plano de la misma. El núcleo trabaja a cortante: no sufre ninguna deformación por flexión. Adicionalmente se supone que, la tensión tangencial T, es constante a través del espesor del núcleo. Los valores de las tensiones a y T pueden calcularse, en función de los esfuerzos que parecen, como: Figura 2.14.Tesion normal, cortante y momento flector. ( ) (2.1) (2.2) El cálculo de δ (flecha de la viga en ménsula) se puede hacer utilizando las fórmulas de Resistencia de Materiales haciendo las siguientes equivalencias: UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 57 ( ) (2.3) ) (2.4) Donde: - Ef = Módulo de elasticidad de las pieles - Gc = Módulo de elasticidad a cortadura del núcleo - σ = Tensión normal en la piel - τ = Tensión de cortadura en el núcleo - M = Momento flector - P = Carga aplicada - E.I = Rigidez a flexión equivalente de la viga - G.Q = Rigidez a cortante equivalente de la viga UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 64 Para una determinada piel, el tamaño de las celdas del núcleo debe ser lo suficientemente pequeño como para evitar el pandeo interior de la piel y las celdas. Figura 2.22. Fallo por pandeo interior La resistencia a la compresión local del núcleo debe ser adecuada para aguantar las cargas locales sobre la superficie del panel. Figura 2.23. Fallo por indentación del núcleo Un modo de fallo muy común en estas estructuras es la rotura de las pieles por tensión plana [17]. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 65 La rotura de las pieles puede ocurrir bien en la cara a compresión o bien en la cara a tracción, pudiendo estar causada por un insuficiente espesor del panel sándwich, espesor o resistencia última de las pieles. Ocurre cuando la tensión en una de las caras supera el admisible en tensiones a tracción o compresión. Figura 2.24.Rotura de la piel en tensión plana Este tipo de rotura, es una rotura a nivel de lámina. Para predecir este tipo de rotura pueden emplearse cualquier criterio de fallo definido para determinar el fallo de una lámina de material compuesto ( criterio máxima deformación ,máxima tensión o TSAI-HILL ). El “telegraphing” es un efecto exclusivo de estructuras sándwich con núcleo de nido de abeja. Como consecuencia del proceso de fabricación, al ejercerse presión sobre las pieles, éstas copian al núcleo, es decir, la geometría de la celdilla se queda grabada en la piel. Esto hace que los apilados que constituyen los revestimientos de las estructuras sándwich con núcleo de nido de abeja, presenten admisibles inferiores a los ensayados en apilados monolíticos. Los orígenes de esta pérdida de admisibles son diversos, destacándose los efectos de: ■ Concentración de carga en los meniscos de resina que se forman en la adhesión con el núcleo. ■ La irregularidad superficial de las pieles al apoyarse sobre el núcleo en la fase de curado bajo presión UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 66 ■ El bajo número de telas que integran las pieles de los paneles sándwich y que pueden conducir a fenómenos de inestabilidad bajo cargas de compresión. En este presente trabajo los modelos de fallo más importantes son los estudiados cuando sometemos la estructura a flexión. Los valores teóricos de las cargas de colapso pueden determinarse con precisión si se establecen los posibles modos de fallo y su morfología asociada, según un procedimiento ampliamente utilizado y descrito en diversos trabajos de M. Asbhy [18]. La figura 2.25 siguiente muestra la configuración inicial y los parámetros determinantes del comportamiento observado, en un ensayo de flexión a tres puntos de un panel sándwich, similar al empleado en este trabajo. El parámetro “a” define la anchura del indentador y de los apoyos, cuando estos son planos. Si se emplean indentadores de tipo cilíndrico puede asumirse que el valor de a≈0, o bien emplear el valor de “a” correspondiente al ancho de la zona de contacto bajo condiciones de contacto hertziano. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 67 Figura 2.25. Parámetros dimensionales y de resistencia de los constituyentes en un ensayo de flexión a tres puntos. El panel presenta una anchura “b”. Con esta configuración, que ha sido la empleada en los ensayos de este trabajo, los posibles modos de fallo, asumiendo que no se producen despegues de la piel y el núcleo, son básicamente de tres tipos: - Fallos por rotura o plastificación de la piel (face yield or face fracture), que se producen cuando las tensiones debidas a la flexión superan los valores límite de tensión admisible en la piel σf. - Fallos por indentación o aplastamiento local del núcleo (indentation), que se producen por hundimiento local de la piel sobre el núcleo bajo la acción del empujador. La figura 2.26 siguiente muestra la morfología del fallo. El mecanismo requiere que se produzcan rótulas por plastificación o rotura de la piel, junto con el colapso por compresión del núcleo. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 68 Figura 2.26: Morfología de un panel sándwich sometido a flexión en condiciones de fallo por indentación del núcleo bajo el indentador. Fallos por cortadura del núcleo (Core shear), bajo la acción de los esfuerzos cortantes. La morfología habitual de este fallo se presenta en la figura 2.27 siguiente. Figura 2.27: Morfología de un panel sándwich en condiciones de fallo por cortadura del núcleo. Las fórmulas siguientes proporcionan los valores estimados de carga F que producirá el fallo para cada condición crítica o tipo de fallo [18] UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 69 - Face yield o fractura de la piel: Ff (2.5) - Indentación: FI √ (2.6) - Core shear o cortadura del núcleo: Fc (2.7) Donde : σf = tensión de flexión MPa σc = tensión de compresión MPa τc = tensión de cizalladura MPa tf =espesor de las pieles mm c = espesor del núcleo mm b= ancho del panel mm UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 70 a = anchura del intentador mm l= longitud entre apoyos mm UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 71 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 72 3.1 MATERIALES A ENSAYAR. DESCRIPCION DE LOS MATERIALES Y EQUIPOS Las propiedades de los paneles dependen en primera instancia de su configuración y materiales constituyentes. La figura 3.1 presenta esquemáticamente los parámetros dimensionales de referencia de un panel con alma de panal de abeja. En este caso, la piel presenta el mismo espesor en ambas caras. Las pieles del panel, de espesor tf, son las responsables de soportar las tensiones de flexión y están fabricadas con un laminado de material compuesto, de color negro. El núcleo, de espesor hc, es un estructura “honeycomb” o de panal de abeja, de aluminio. El núcleo soporta las tensiones de cizalladura y tiene la misión de separar las caras, incrementando los valores del momento de inercia de la sección [2,3]. Figura 3.1. Estructura del material y dimensiones características. Los materiales a ensayar fueron suministrados por una empresa nacional que emplea este tipo de paneles sándwich para la construcción de la estructura del chasis de vehículos de competición F3 y para vehículos deportivos de alta gama. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 73 El material suministrado que ha sido objeto de caracterización es un panel de espesor nominal 1 pulgada, con núcleo de panal de abeja de aluminio y pieles de material compuesto con refuerzo de tejido. El color de la piel es negro, por lo que se supone a priori que puede tratarse de tejidos de fibras de carbono. No obstante, este aspecto se determinará específicamente en la fase experimental. La configuración geométrica y propiedades generales del material se determinaron mediante procedimientos de medida convencionales. Las características mecánicas globales se han analizado a partir de ensayos normalizados. La cantidad de material suministrado ha sido limitada a unos recortes de paneles ya utilizados. Por ello, el número de ensayos a realizar se ha visto limitado por el escaso material disponible. Como ya se ha indicado, el objetivo es caracterizar el comportamiento mecánico del material. Con las muestras disponibles es factible llevar a cabo diferentes ensayos, aunque no en número suficiente como para determinar todas las propiedades de interés mediante ensayos apropiados. En concreto, no resulta factible llevar a cabo ensayos de cizalladura del núcleo en las dos direcciones L y W, dadas las grandes dimensiones de las probetas necesarias, por lo que la determinación de valores del módulo a cortadura del núcleo se estimarán a partir de ensayos de flexión [4,5]. Con la muestra de material disponible, se han preparado probetas de ancho nominal 50mm, para ensayos de flexión con diferentes longitudes entre apoyos, desde L=125mm a L=450mm, y ensayos de compresión en la dirección transversal. Los ensayos se han llevado a cabo en un equipo Instron 4204 con control digital. En los ensayos de flexión se determinó la rigidez, mediante medidas de deformaciones con extensómetros de precisión 0.001mm, y la resistencia total hasta fractura, analizando los UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 80 Calculo la tensión frente a la flexión de la siguiente manera: (3.2) Donde: = tensión de flexión Mpa tf= espesor de la piel mm L= longitud del vano mm Calculo de la flecha del sándwich: (3.3) Donde: = flecha mm Gc= módulo de corte del núcleo Mpa Ef= módulo de las pieles Mpa D= rigidez al doblado del panel Nmm2 UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 81 La rigidez a la flexión D y el núcleo de módulo de corte Gc se puede determinar a partir de la solución simultánea de las ecuaciones de deflexión como sigue: [ ( )] [ ] (3.4) [ ] [( ) ] (3.5) 3.2.2 ENSAYO DE COMPRESIÓN TRANSVERSAL Realizado según la norma ASTM C 365 – 03 Este ensayo determina la resistencia a compresión y el módulo del núcleo del panel sándwich. Estas propiedades son determinadas generalmente para fines de diseño en una dirección normal al plano de los revestimientos como el núcleo sería colocado en una construcción de emparedado estructural. Los procedimientos de ensayo pertenecen a la compresión en esta dirección, en particular, pero también se puede aplicar con posibles variaciones menores en la determinación propiedades de compresión en otras direcciones. La resistencia a la compresión y módulo son propiedades fundamentales mecánicas de los núcleos de sándwich que son utilizadas en el diseño de paneles sándwich. Los datos de deformación pueden ser obtenidos, y de una completa curva de carga-deformación es posible calcular la tensión de compresión en cualquier carga (por ejemplo, tensión de compresión al límite proporcional de carga o de compresión resistencia a carga máxima) y para calcular el módulo efectivo del núcleo. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 82 Aparatos de medida - Máquina de prueba, capaz de mantener una tasa de carga controlada y que indica la carga con una precisión de ± 1% del valor indicado. La precisión de la máquina de prueba se verificará de conformidad con las Prácticas E 4. - Bloque de cojinete esférico, preferiblemente de suspensión, tipo autoalineación . - Deflectómetro o Compresómetro, capaz de medir el desplazamiento con una precisión de al menos ± 1%. - Micrómetro o calibrador, capaz de medir con precisión a 0,025 mm (0,001 pulgadas). Probetas - Las muestras de ensayo deben ser de sección cuadrada, cuya superficie se inferior o igual a 10 000 mm 2 , pero no menor de las siguientes áreas mínimas para los distintos tipos de núcleos: Para los núcleos continuos, tales como la espuma, la mínima área de sección transversal será de 625 mm 2 . Para núcleos de células abiertas, tales como en forma de panal, que tiene células de menos de 6 mm la mínima sección transversal será de 2500 mm 2 y para las células de 6 mm o mayor la mínima área de la sección será de 5800 mm 2 . - La altura de la probeta será elegida arbitrariamente. - El número de muestras de ensayo y el método de su selección dependerá de la finalidad de la prueba en particular que se trate, y ninguna regla general se puede dar a cubrir todos los casos. Sin embargo, no se efectuarán menos de cinco muestras de un tipo. - Preparar las muestras de prueba de modo que los extremos cargados sean paralelos entre sí y perpendiculares a los lados de la UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 83 probeta. Para evitar aplastamiento de los extremos de algunos núcleos de nido de abeja, es deseable reforzar los extremos con un material adecuado. Los extremos se pueden sumergir en una fina capa de los revestimientos de resina delgada o unidos al núcleo. Cuando cualquiera de estos métodos se utilizan la prueba se llama una prueba de compresión estabilizado. Cuando los bordes de la celda de panal no son revestidos, la prueba se llama prueba de compresión desnuda. Figura 3.6.Configuración ensayo compresión UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 84 Condiciones del ensayo Cuando las propiedades físicas del material del núcleo se ven afectadas por la humedad, se deben llevar las muestras a un peso constante (± 1%) antes del ensayo, preferiblemente se realizaran los ensayos en una sala con control de la temperatura y la humedad, y las pruebas se harán preferiblemente a un temperatura de 23 ± 3 ° C y una humedad relativa de 50 ± 5% que serían las condiciones de control estándar. Procedimiento Las dimensiones de longitud y anchura de la probeta deberá medirse con una precisión de 0,25 mm y el espesor con una precisión de 0,025 mm . Aplicar la carga a la muestra a través de un bloque de carga esférica, preferiblemente de suspensión, tipo auto-alineación , de tal manera que el bloque distribuye la carga lo más uniformemente posible sobre toda la superficie de carga de la muestra. Se aplica la carga a una velocidad constante de movimiento de la cruceta de la máquina de ensayo y a una velocidad tal que la carga máxima se producirá entre 3 y 6 min. Las curvas de carga-deflexión se puede utilizar para determinar el módulo de elasticidad, límite proporcional, y la carga máxima . Cálculo Cálculo de la tensión de compresión : (3.6) UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 85 donde: σ= núcleo resistencia a la compresión, MPa P = carga de rotura, N y A= área de sección transversal, mm 2 Calculo el módulo de compresión: (3.7) donde: E = módulo de núcleo a la compresión, MPa S = (∆p / ∆ u) la pendiente de la porción lineal inicial de curva cargadeflexión, N / mm u = desplazamiento del bloque de carga, y t = espesor del núcleo, mm UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 86 3.2.3 ENSAYO DE TRACCIÓN DE PIELES Este ensayo se realizó según la norma ASTM D 3039 Mediante este ensayo se determinan las propiedades de tracción en el plano materiales compuestos reforzados con fibras de alto módulo. Las formas de material a estudiar se limitan a aquellos compuestos de fibra continua o discontinuas reforzados con fibra en la que el laminado es equilibrada y simétrica con respecto a la dirección de prueba. Una delgada tira plana de material que tiene una sección rectangular transversal constante se monta en las garras de una máquina de ensayo mecánico y cargada en tensión mientras se carga de grabación. La fuerza de rotura del material puede ser determinada a partir de transportar la carga máxima antes de la rotura. Si la deformación se controla con transductores de deformación o desplazamiento, entonces la respuesta de tensión-deformación del material puede ser determinada, a partir de la cual resistencia a rotura por tracción, módulo de tracción de elasticidad, el coeficiente de Poisson, y la tensión de transición pueden ser derivadas[16,17]. En esta aplicación, realizamos un ensayo en probetas de fibra de vidrio. Las probetas se prepararon con extremos con lengüetas para permitir la sujeción segura de la probeta y garantizar que las fisuras se produjeran dentro de la distancia inicial y no en la mandíbula Para obtener resultados exactos, repetibles y maximizados para estos laminados, es necesaria una deformación bajo carga de precisión y condiciones de ensayo repetibles. Para minimizar la variabilidad de los resultados y obtener los mejores resultados posibles para estas probetas rígidas, es necesario usar una máquina que tenga una guía exacta y sea lo más rígida posible, en todas las direcciones, y mordazas accionadas que sujeten la probeta de la misma manera para todos los ensayos. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 87 La alineación precisa de las mordazas se garantiza mediante el uso de un dispositivo de alineación ; este dispositivo permite el ajuste exacto de la angularidad y concentricidad de las mordazas con carga o sin carga. La alineación se comprueba mediante el uso de una célula de alineación con extensómetro La medición de la deformación se puede realizar mediante un extensómetro pinzable (sobre los rangos de temperaturas aplicables), un extensómetro pegado (que registra la deformación a través de los canales de deformación de la máquina de ensayo) o un extensómetro de vídeo (que realiza la medición a través de la ventana óptica graduada situada en la parte frontal de la cámara). Esta configuración permite realizar el ensayo a temperaturas que van de - 70º C a +350º C (-94º F a +662º F). Debe garantizarse que en toda la longitud de la probeta esté a temperatura de ensayo y, por tanto, se minimice el gradiente térmico a lo largo de la distancia inicial. Se consideraron las siguientes hipótesis: a) Sobre los materiales fibra y volumen i) Sin volúmenes vacíos, curado perfecto. ii) El laminado responde a la teoría de primer orden para laminados compuestos [1]. iii) Los layers o capas están perfectamente adheridos. iv) El material de cada lámina tiene dos planos de simetría material (ortótropo). v) Efectos térmicos despreciables. vi) Fracción de fibra-volumen igual a 0,6. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 88 b) Sobre la sujeción i) Distribución de los esfuerzos de corte uniformes en toda la sección . c) Sobre la distribución de los esfuerzos en la zona calibrada i) Uniformemente distribuidos. d) Sobre la máquina de ensayo i) Perfectamente rígida. ii) Velocidad de desplazamiento de las mordazas constante de 3mm/min e) Sobre la cinemática i) Pequeños desplazamientos y pequeñas deformaciones. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 89 Modelo teórico geométrico de la probeta a ensayar : Figura 3.7. Geometría ensayo UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 96 Figura 4.3. Curvas de deformación frente a carga en ensayos de flexión en la dirección W. A continuación se pueden observar los fallos obtenidos en las probetas: UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 97 Figura 4.4 . Fallo de probetas sometida a flexión, luces pequeñas fallan por indentación y luces grandes por fractura de la piel. Indentacion 175x Fractura piel 450y UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 98 Figura 4.5.Fallo por indentación sección longitudinal Figura 4.6.Fallo por indentación sección transversal UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 99 Figura 4.7. Fallo por fractura piel sección transversal Figura 4.8.Fallo fractura piel, sección longitudinal UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 100 Para la obtención del módulo elástico de la piel Ef y módulo a cortadura del núcleo Gc, se ensayaron una serie de muestras a las cuales se les aplicaba una carga y se registraba la flecha obtenida. En base a estos resultados hemos representado las curvas carga por unidad de anchura – deformación en la zona elástica, la pendientes de esas rectas aproximadas nos da el valor K(l) que necesitamos para calcular Ef y Gc. A continuación se representas estas rectas en la dirección W : Figura 4.9 .Obtención de las pendientes de las rectas deformaciónanchura en la zona elástica y = 68,589x R² = 0,9768 y = 280,62x R² = 0,9916 y = 509x R² = 0,9922 y = 21,878x R² = 0,9588 y = 45,094x R² = 0,986 y = 401,58x R² = 0,9813 0 50 100 150 200 250 300 0 2 4 6 8 10 200Y 350Y 450Y 125Y 175Y 400Y Lineal (200Y) Lineal (350Y) Lineal (450Y) Lineal (125Y) Lineal (175Y) Lineal (400Y) UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 101 Figura 4.10.Ensayo de flexión UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 102 Figura 4.11. Extensómetro que registra deformación en ensayo Las medidas dimensionales proporcionan un espesor de la piel similar en ambas caras, con un valor medio tf= 0.509 mm, y un espesor total exterior de 25.34mm. En un panel sándwich sometido a flexión a tres puntos, la deformación total  es la suma de la deformación debida a la flexión b, y de la deformación debida a los esfuerzos de cortadura s sb   (4.1) UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 103 Deformación (flecha) por flexión: bhtE lPk D lPk ff bb b    2 33 2  (4.2) Donde D es la rigidez por flexión: 2 2bhtE IED ff f   (4.3) Y kb es una constante que depende de la configuración del ensayo. Para ensayos de flexión a tres puntos, kb= 1/48 Deformación por cortadura: bhG lPk S lPk c ss s      (4.4) Donde S es la rigidez por cortadura, que depende directamente del módulo elástico a cortadura del núcleo Gc: UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 104 GcbhS (4.5) Y ks es una constante que depende de la configuración del ensayo. Para ensayos a tres puntos ks= ¼; Deformación total, para la viga con carga central (para ensayos de flexión a 3 puntos, las constantes valen kb= 1/48 y ks= 1/4): S lPk D lPk sb sb     3  (4.6) bhG lP bhtE lP S lPk D lPk cff sb sb           424 2 33  (4.7) En las probetas sometidas a ensayos de flexión a tres puntos, la deformación total crece linealmente con el valor de carga por unidad de anchura P/b. bhG lP bhtE lP S lPk D lPk cff sb sb           424 2 33  (4.8) La pendiente k(l), que relaciona la deformación total con el valor de la carga aplicada por unidad de ancho depende de la luz entre apoyos l: UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 105       hG l htE l bPbP kk bP k cff sb sb     424/// 2 3  (4.9) En ensayos a flexión con elevadas relaciones l/h, como los efectuados con luces de 350, 400 y 450 mm, la deformación por cortadura es pequeña en relación con la deformación por flexión. En esos casos, puede asumirse que la deformación se debe exclusivamente a la flexión, por lo que bhtE lP ff b   2 3 24  (4.10) Y la pendiente k(l) que relaciona la deformación total con el valor de la carga aplicada por unidad de ancho, presenta en estos casos una relación inversa con el valor del módulo elástico de las caras:   2 3 24 /htE l bP k ff b    (4.11) De donde, para cada valor de l, puede estimarse el valor del módulo de las caras, a partir de la ecuación lineal que relaciona la flecha con la carga aplicada.: UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 112 Figura 4.13 . Representación Tensión – Deformación de la zona elástica del ensayo de tracción de pieles Figura 4.14. Representación Tensión – Deformación de la zona elástica del ensayo de tracción de pieles y = 23606x + 0,9589 R² = 0,9973 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 Y Y Lineal (Y) Deformación Tension ( Mpa) y = 21140x - 17,474 R² = 0,9991 0 10 20 30 40 50 60 0 0,001 0,002 0,003 0,004 X1 X1 Lineal (X1) Deformación Tension (MPa) UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 113 Figura 4.15. Representación Tensión – Deformación de la zona elástica del ensayo de tracción de pieles En la siguiente tabla se representan los valores principales calculados en el ensayo: Tabla 4.3. Valores característicos ensayo tracción de las pieles Dirección Ancho (mm) Espesor( mm) Carga de rotura(N) Rotura(N/ mm2) Módulo elasticidad (Gpa) W =Y 20,6 0,5 2417,418 233,567 23.6 L1 = X1 20,7 0,54 2621,413 253,276 21.1 L2 = X2 20,7 0,54 2660,334 251,997 21.1 y = 21137x + 7,4524 R² = 0,9975 0 10 20 30 40 50 60 70 80 -0,0005 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 0,003 0,0035 X2 X2 Lineal (X2) Tensión (MPa) UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 114 Los resultados de resistencia y rigidez de la piel son coherentes con los obtenidos a partir de ensayos flexión. En los ensayos de tracción se obtienen valores de Ef= 21.14 Gpa y 23.6 Gpa, en las direcciones L y W, y valores de resistencia RL = 250 MPa y RW = 235 MPa, ligeramente superiores a los valores de resistencia a compresión que se observaron en la fractura de las pieles durante los ensayos a flexión del sándwich. Esta discrepancia es habitual, ya que los laminados presentan valores ligeramente inferiores de resistencia en compresión que en tracción. 4.2.3 ENSAYO DE COMPRESIÓN TRANSVERSAL Se han realizado los ensayos en dos probetas, registrando el aumento progresivo de la carga así como del desplazamiento obteniéndose la gráfica representada en la figura 4.16 que presenta los resultados del ensayo de compresión en la dirección transversal T, de dos muestras similares. Se observa una buena reproducibilidad de los resultados, con una resistencia a compresión inicial media de valor R = 4.5 MPa alcanzándose una valor de deformación del 5,9%, a partir de estos valores se produce el fallo por colapso del núcleo del panel y los datos suministrados don registrados con el núcleo dañado por lo que carecen de importancia .Estos resultados concuerdan con lo que es la resistencia del núcleo al colapso de los paneles sándwich con los bordes estabilizados mediante adhesivo con las pieles. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 115 Figura 4.16 . Resultados de ensayos de compresión transversal UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 116 4.3 ESTRUCTURA Y COMPOSICION 4.3.1 PIELES Las figuras siguientes muestran imágenes representativas de la configuración de los tejidos de la piel. Se observó que el refuerzo en la piel está constituido por dos capas de tejido similar, como se aprecia en la figura 4.17. Cada una de ellas es un tejido de tipo satén 1/8, con un valor aproximado de 57.72 hilos por pulgada en sentido longitudinal (urdimbre) y 54 hilos por pulgada en el sentido transversal (trama). Cada hilo está constituido por 816 fibras, sin torcido ni trenzado, con un diámetro medio de 6 micras, que se corresponde con una designación normalizada ECDE 75 1/0. A su vez, la configuración de tejido corresponde a un tipo normalizado de tejidos de fibra de vidrio, no empleada en tejido de fibra de carbono o aramida, y designado como tipo 7781 según las normas ASTMD578 y MIL-Y-1140H. La composición, determinada por análisis EDX, se muestra en la Tabla 4.8. Corresponde con una variante de vidrio E, denominada tipo ECR [8], que presenta una resistencia similar al vidrio E, con σRF=3445 MPa, y un módulo E=80.3 GPa, ligeramente superior al módulo del vidrio E: E=72.3 GPa, y una densidad de 2.7 g/cm3 . UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 117 Figura 4.17. Sección longitudinal L de la piel. Se aprecia la presencia de un tejido doble: 2 hilos en sentido de la trama. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 118 Figura 4.18 .Sección longitudinal L de la piel. Se aprecia la presencia de un tejido doble ampliación óptica el doble que las figuras anteriores. Figura 4.19 .Estructura tejido saten UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 119 UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 120 Figura 4.20. Imagen de la configuración del tejido: Satén 1/8 con hilos de fibras continuas, de espesor uniforme. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 121 Figura 4.21. Sección transversal de un hilo a distintos aumentos ópticos , mostrando las fibras individuales. Cada hilo está constituido por 816 fibras de diámetro medio 6 micras, tipo ECDE 75 1/0. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 128 Análisis 4 Figura 4.29. Zona de análisis Figura 4.30. Componentes químicos de las fibras UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 129 Tabla 4.7. Tabla resumen de los componentes químicos observados en este ensayo Element Weight% Atomic% Compd% Formula Na K 0.30 0.28 0.40 Na2O Al K 6.70 5.39 12.65 Al2O3 Si K 28.26 21.85 60.45 SiO2 Ca K 18.44 9.99 25.80 CaO Ti K 0.42 0.19 0.70 TiO2 O 45.89 62.30 Totals 100.00 En base a estos ensayos podemos determinar que la composición química de las fibras es la que se muestra en la siguiente tabla. Con este tipo de composición podemos afirmar que son fibras de vidrio. Tabla 4.8. Composición química (EDX) de las fibras [14]. Óxidos Muestra Vidrio E Vidrio ECR SiO2 60.4 52-56 54-62 CaO 25.6 16-25 17-25 Al2O3 12.7 12-16 9-15 B2O3 - 5-10 - Na2O+K 2O 0.45 0-1 0-2 MgO - 0-6 0-4 TiO2 0-1.5 0-4 UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 130 Tabla 4.9 .Principales características de las fibras de vidrio[8]. Tabla 4.10 .Principales características de las fibras de vidrio[8]. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 131 Tabla 4.11 .Principales características de las fibras de vidrio [8]. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 132 4.3.2 NÚCLEO Para determinar la composición química del núcleo se realizaron los mismos tipos de análisis que para las pieles. Análisis 1 Figura 4.31. Zona de análisis UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 133 Figura 4.32. Componentes químicos del núcleo Tabla 4.12. Tabla resumen de los componentes químicos Element Weight% Atomic% Mg K 0.99 1.11 Al K 97.35 98.08 Mn K 1.20 0.59 Fe K 0.46 0.23 Totals 100.00 UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 134 Análisis 2 Figura 4.33. Zona de análisis Figura 4.34. Componentes químicos del núcleo UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 135 Tabla 4.13. Tabla resumen de los componentes químicos Element Weight% Atomic% Mg K 0.99 1.11 Al K 96.66 97.76 Cr K 0.21 0.11 Mn K 1.15 0.57 Fe K 0.45 0.22 Cu K 0.54 0.23 Totals 100.00 El núcleo es de tipo hexagonal o panal de abeja y presenta un tamaño del celda nominal de 6 mm (1/4 pulgadas), con un espesor de las láminas de 0.063 mm. Esta configuración corresponde a un tipo estándar de núcleos de panal de abeja de aluminio [5,9], cuya densidad nominal es de 83 kg/m3. Los valores medidos en las muestras fueron de 84.3 kg/m3. Los núcleos de aluminio suelen obtenerse a partir de láminas en estado duro H18 o H38, de aleaciones Al-Mn1 3003, consideradas de uso general para aplicaciones industriales y aleaciones Al-Mg 5052 o 5056, de mayor coste y prestaciones, que se destinan a aplicaciones en el sector aeronáutico. Los análisis efectuados indican que la composición del núcleo se aproxima a la de una aleación 3004 (Al1Mn1.2Mg), que presenta características mecánicas ligeramente superiores a la 3003, pero inferiores a las de las aleaciones Al 2.5 Mg 5052 ó Al5Mg 5056. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 136 Tabla 4.14. Composición química del material del núcleo. Element o Muestra 3003 5052 5056 Cr 0.21 < 0.05 0.15-0.35 0.05-0.20 Cu 0.54 0.05-0.20 < 0.10 < 0.10 Fe 0.42 < 0.70 < 0.40 < 0.40 Mg 1.20 < 0.05 2.2 - 2.8 4.5 - 5.6 Mn 1.15 1.0 - 1.5 < 0.10 0.05-0.20 Si 0.51 < 0.60 < 0.25 < 0.30 Zn 0.10 < 0.10 < 0.10 < 0.10 Al base 95.87 > 96.7 > 95.7 > 92.9 Propiedades de los núcleos Valores mínimos según la norma MIL C 7438 [9] Tamaño inch Espesor inch Densidad lb/pie3 Alloy Compresión psi Ecompresión ksi shear psi Gshear ksi L W L W 1/4 0.0025 5.2 3003 620 148 345 215 63 31 5052 510 670 190 360 410 200 265 82 35 5056 645 790 230 425 500 245 300 84 32 Tamaño de celda mm Espesor mm Densidad Kg/m3 Alloy Compresión MPa Ecompresión MPa shear (MPa) Gshear (MPa) L W L W 6,3 0.063 83 3003 4.3 Crush 1.73 MPa 1000 2.40 1.50 440 210 5052 3.6 4.6 1300 2.52 2.90 1.40 1.80 570 240 UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 137 4.4 RELACIÓN COMPORTAMIENTO OBSERVADO-MODELOS Empleando los modelos descritos en el apartado ***** de este documento, se ha realizado la comparación de los datos obtenidos experimentalmente de carga máxima de colapso en los ensayos de flexión con los datos obtenidos en base a los modelos matemáticos conocidos para este tipo de estructuras. Se han podido así comparar las cargas de colapso experimentales con la carga de colapso teórica obtenida a partir de los modelos matemáticos. Se considera que la carga de colapso teórica es la mínima de los tres valores estimados para fallos por indentación, por fractura de la piel o por cortadura del núcleo. Para los cálculos se han considerado los valores de resistencia medidos experimentalmente en los ensayos de tracción de las pieles y en el ensayo a compresión del núcleo. Los valores de resistencia a cizalladura del núcleo han sido estimados a partir de los valores mínimos según la norma MIL C 7438 para núcleos de aleación 3003 con similar densidad y configuración que el núcleo empleado en estos paneles sándwich. - Tensión de fractura en la piel en la dirección X: fx = 253 MPa. - Tensión de fractura en la piel en la dirección Y: fy = 233 MPa. - Tensión de colapso en compresión del núcleo: c = 4.5 MPa. - Tensión de cizalladura del núcleo en la dirección: cx = 2.4 MPa (MIL C 7438) - Tensión de cizalladura del núcleo en la dirección: cy = 1.5 Mpa (MIL C 7438) UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 144 El alcance del presente trabajo de investigación está limitado al estudio de las características del propio panel. Por ello, no resultan o es fácil derivar o proponer a partir del presente estudio posibles líneas de trabajo o investigación adicionales. Para una caracterización completa sería desde luego aconsejable llevar a cabo una determinación precisa del tipo de resina empleada en las pieles, lo que podría realizarse con técnicas analíticas adecuadas, como espectroscopia RAMAN o infrarroja IR. Si podemos concluir que la metodología empleada puede perfectamente utilizarse para caracterizar materiales similares con otras configuraciones o componentes. UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE VALENCIA Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Máster en Ingeniería Mecánica y Materiales CARACTERIZACIÓN DE PANELES SANDWICH HIBRIDOS FRP CON ALMA DE NIDO DE ABEJA DE ALUMINIO 145 6. BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS [1] Savage G. ”Formula 1 Composites Eengineering” Eng. Failure Analysis, 17 (2010) 92–115. [2] C.A. Steeves, N.A. Fleck, “Material selection in sandwich beam construction” Scripta Materialia 50 (2004) 1335–1339 [3] L.J. Gibson M.F.Ashby, The Mechanics of honeycombs, in Cellular Solids, 2nd ed. Ed. Cambridge University Press. pp 93-173 (1997) [4] S. Heimbs, P. Middendorf , M. Maier, “Honeycomb sandwich material modeling for dynamic simulations of aircraft interior components”, 9th International LS-DYNA Users Conference, Deetroit USA (2006) [5] Hexcel. Honeycomb sandwich design technology. Publication No. AGU 075B, December 2000. (www.excel.com) [6] MIL STD 401B; Sandwich Constructions and Core Materials; General Test Methods. USA (1967) [7] J.K Paika, A.K. Thayamballib, G.S. Kima, “The strength characteristics of aluminium honeycomb sandwich panels”, Thin-Walled Structures 35 (1999) 205–231 [8] Hartman D. Greenwood M.EE and Miller D.M. High Strength Glass Fibers. AGY Technical Pub. (1996). [9] MIL-C-7438 Standard “Core materials, aluminium, for sandwich construction. USA. [10] Donald V. 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Apuntes de la asignatura de Ingeniería Industrial “Análisis numérico y experimental de tensiones”. [17] ASM HANDBOOK. Volume 21, “Composites”. [18] ASHBY, M. F. (2000). Metal Foams - A Design Guide