P oyec o Fin de Ca e a
Ingenie ía de Telecomunicación
Fo ma o de Publicación de la Escuela Técnica
Supe io de Ingenie ía
Au o : F. Ja ie Payán Some
Tu o : Juan José Mu illo Fuen es
Dep. Teo ía de la Señal y Comunicaciones
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía
Uni e sidad de Se illa
Se illa, 2013
T abajo Fin de G ado
Ingenie ía Ae oespacial
E olución del daño en laminados [0,90n]Sde
ma e ial compues o en unción del espeso
Au o : Ra ael Ca mona Jiménez
Tu o : Fede ico Pa is Ca ballo
Ma ía Luisa Velasco López
Dp o. Mecánica de Medios Con inuos y Teo ía de
Es uc u as
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía
Uni e sidad de Se illa
Se illa, 2021
T abajo Fin de G ado
Ingenie ía Ae oespacial
E olución del daño en laminados [0,90n]Sde
ma e ial compues o en unción del espeso
Au o :
Ra ael Ca mona Jiménez
Tu o :
Fede ico Pa is Ca ballo
Ma ía Luisa Velasco López
Dp o. Mecánica de Medios Con inuos y Teo ía de Es uc u as
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía
Uni e sidad de Se illa
Se illa, 2021
T abajo Fin de G ado:
E olución del daño en laminados
[0,90n]S
de ma e ial compues o en
unción del espeso
Au o : Ra ael Ca mona Jiménez
Tu o : Fede ico Pa is Ca ballo
Ma ía Luisa Velasco López
El ibunal nomb ado pa a juzga el abajo a iba indicado, compues o po los siguien es p o eso es:
P esiden e:
Vocal/es:
Sec e a io:
acue dan o o ga le la cali icación de:
El Sec e a io del T ibunal
Fecha:
Ag adecimien os
La
ealización de es e p oyec o supone el in a una de las e apas más impo an es de mi ida, y esume
en unos meses de abajo lo i ido en años de ca e a. A pesa de las di icul ades encon adas pa a
la ealización de un abajo expe imen al, en la si uación de pandemia i ida, si pudiese ol e ía a ealiza
es e mismo p oyec o; y es o es po odo lo ap endido y i ido g acias a odo el g upo de pe sonas que me ha
acompañado du an e es e año.
En p ime luga , ag adece a mis pad es y amilia, po habe me acompañado du an e oda es a e apa,
apoya me y anima me con la ealización de és e.
A mis compañe os, con los que siemp e he podido compa i con libe ad y ca iño momen os i idos
du an e es a e apa y du an e la p opia ealización del abajo, donde compañe os como Pablo y Ja i no han
dudado en p es a me su ayuda en cualquie momen o.
A odos los compañe os del LERM, que me han acompañado du an e odo el p oyec o incluso más, po que
siemp e he con ado con su en e a disponibilidad y po que e acogen como si de una amilia se a ase. En
especial a An onio, Se a ín, Pa icia y Jose Ramón pues sin su expe iencia en el labo a o io la ealización de
es e p oyec o no hubiese sido posible.
Y po supues o, a mis p o eso es que me han o mado du an e odo es os años y me han educado pa a
pode a on a es e p oyec o. En especial:
A Ma ía Luisa, con quien siemp e he podido con a y me ha acompañado a lo la go de odo el p oyec o.
Su ene gía, apoyo, conocimien o y comp omiso han hecho posible que inalice con es e p oyec o.
A Fede ico, g acias po su guía y po su sabidu ía. Su capacidad de analiza e i siemp e más allá es un
ejemplo que p e ende é segui en oda in es igación.
En de ini i a, solo puedo es a ag adecido a odos ellos, po que a pesa de habe pasado a ias di icul ades
du an e la ealización del p oyec o, solo puedo eco da el apoyo y disponibilidad incondicional de cada uno
de ellos.
A odos ellos, g acias.
I
Índice Ab e iado
Índice Ab e iado III
No ación VII
1 In oducción 1
1.1 Concep o y es ado del a e 1
1.2 Obje i o del abajo 2
1.3 Mo i ación 3
1.4 O ganización del abajo 3
2 Fab icación de p obe as 5
2.1 Ma e ial empleado 5
2.2 P oceso de ab icación 5
2.3 Iden i icación de e o es y epe ición 17
3 Ensayos mecánicos 21
3.1 Equipos y so wa e 21
3.2 Me odología del ensayo 22
3.3 Ensayos de acción 22
3.4 Resumen de esul ados 29
4 Apa ición del p ime daño 31
4.1 Me odología 31
4.2 Laminado 1 31
4.3 Laminado 2 37
5 Discusión de esul ados 43
Índice de Figu as 45
Índice de Tablas 47
Bibliog a ía 49
III
2Capí ulo 1. In oducción
En la indus ia ae onáu ica, el uso de ma e iales compues os ha su ido un g an auge en los úl imos años,
en conc e o las aleaciones de aluminio se han ido sus i uyendo po ma e iales compues os que, a simila es
p opiedades mecánicas, o ecen un meno peso. En conc e o, en los úl imos años Boeing y Ai bus han
dado un g an sal o en la inco po ación de ma e iales compues os en sus ae ona es con la ab icación de
los modelos B787 y el A350, espec i amen e. El uso de es os ma e iales en es e úl imo se mues a en la
igu a 1.1. Ambos modelos es án o mados, en más de un 50%, po ma e iales compues os, y además es os
ma e iales ya empiezan a se usados como elemen o es uc u al. [1]
Figu a 1.1 Localización de ma e ial compues o en el A-350 [2].
Sin emba go, los ma e iales compues os p esen an una se ie de incon enien es, p incipalmen e en su
ab icación y con ol. Po ello, es necesa io que se siga in es igando sob e es e ipo de ma e iales pa a así
pode mejo a las p es aciones en di e en es indus ias, especialmen e la ae onáu ica, man eniendo siemp e
la segu idad y el con ol.
1.2 Obje i o del abajo
El p incipal obje i o del abajo p esen e es el de con inua con la in es igación y es udio del llamado e ec o
escala; es deci , el es udio del e aso de la apa ición del p ime daño en la capa de 90 g ados, a medida que
se a educiendo el espeso de las capas del laminado. Es e es udio se ha cen ado en laminados c oss-ply,
és os son laminados o mados po láminas o ien adas a 0 y 90 g ados, espec o a la di ección de aplicación
de la ca ga. Así se ha es udiado el e ec o en la apa ición del daño en las láminas de 90 g ados, que son las
menos esis en es; po an o, las p ime as en alla .
Así las p obe as que se han ab icado pa a ealiza los di e en es ensayos ienen la siguien e secuencia de
apilado:
[08,90,08] [08,902,08] [08,904,08] [08,908,08] [08,9012,08]
En es e caso, se ha man enido cons an e el núme o de láminas o ien adas en la di ección de la ca ga
(láminas a 0 g ados), pa a cen a se en el es udio del e ec o de la a iación de las láminas de 90. Sin emba go,
es e es udio se pod ía comple a más adelan e es udiando ambién como a ec a la a iación de las láminas de
0 a la apa ición del p ime daño.
1.3 Mo i ación 3
1.3 Mo i ación
Una de las líneas de in es igación más impo an es del G upo de Elas icidad y Resis encia de Ma e iales
(GERM), pe enecien e al Depa amen o de Mecánica de Medios Con inuos y Teo ía de Es uc u as de
la Uni e sidad de Se illa se cen a en el es udio de ma e iales compues os e o zados con ib as, dada la
impo ancia y auge del uso de es os ma e iales en aplicaciones ingenie iles expe imen ado du an e los úl imos
años.
Con el desa ollo de es os ma e iales su ge la necesidad de ealiza es udioa e in es igaciones que pe mi an
de e mina su compo amien o y en qué momen o se a a p oduci el allo del ma e ial. Aunque se ha a anzado
mucho, desde c i e ios basados en el compo amien o de ma e iales me álicos a c i e ios más complejos
que ienen en cuen a el allo de cada uno de sus componen es, an o ma iz como ib a, oda ía no se ha
llegado a un conocimien o comple o, po lo que sigue siendo una línea de in es igación abie a en la que se
enma ca el p esen e abajo. La di icul ad de la p edicción del allo en es os ma e iales iene dis in as causas:
la he e ogeneidad y aniso opía de sus componen es, el núme o de láminas que pueden o ma un laminado,
las di e en es o ien aciones que se pueden da a las láminas o las dis in as secuencias de apilado, la posible
delaminación del ma e ial, e c. La al a complejidad de los mecanismos de allo que e minan con el acaso
o al de es os ma e iales es án asociados, po an o, a la misc oes uc u a a di e en es escalas e incluso a la
in e acción en e ellas.
1.4 O ganización del abajo
La me odología de abajo que se ha seguido se esquema iza de la siguien e mane a:
1. Decisión de secuencia de apilado, núme o de laminados y medida de las p obe as.
2. Fab icación de las p obe as.
3. De e minación del módulo de Young y esis encia a acción de las p obe as.
4. Ensayos de acción.
5. Obse ación del daño en mic oscopio.
6. Análisis de esul ados.
Cabe des aca , que po la obse ación de allos en el ma e ial que se comen an en p o undidad en el
apa ado 2.3, se epi ió la pa e de ab icación de p obe as de nue o, an es de la ealización de los ensayos.
2 Fab icación de p obe as
En
es e apa ado, se desc ibe en de alle el p oceso de ab icación de las p obe as que se án ensayadas en
la búsqueda del p ime daño.
2.1 Ma e ial empleado
Con espec o al ma e ial, se a a de un ma e ial compues o en o ma o P e-peg que se mues a en la igu a 2.1;
en conc e o, se a a de ib a de ca bono TP402/T700/100gsm/300mm. Es e ma e ial necesi a se conse ado
en una cáma a igo í ica pa a conse a sus p opiedades y una ez se equie a su uso, p e iamen e, se deja ía
a empe a du an e una ho a ap oximadamen e.
Figu a 2.1 Rollo de ma e ial empleado.
2.2 P oceso de ab icación
El p oceso de ab icación de las p obe as equie e un especial cuidado y con ol sob e el ma e ial. És e debe
man ene se a una cie a empe a u a y se abaja á con él en una sala limpia mos ada en la igu a 2.2; es
deci , una sala donde el en o no es con olado en p esión, empe a u a y con enido de pa ículas en el ai e. La
sala limpia asegu a unas condiciones es ánda pa a la ab icación del ma e ial. Pa a la ob ención de p obe as
se siguió el siguien e p oceso:
1. Diseño de las p obe as
2. Co e del ma e ial
5
6Capí ulo 2. Fab icación de p obe as
3. Apilado de láminas
4. Cu ado y esanado de paneles
5. Colocación de acos
6. Co e, lijado y pulido de p obe as
A con inuación, se p ocede á a desa olla en de alle es os p ocedimien os.
Figu a 2.2 Sala Limpia.
2.2.1 Diseño de p obe as
Como se ha comen ado, an e io men e, en el apa ado 1.2, las p obe as ienen secuencia de apilado c oss-ply,
sob e los que se cen a es e abajo.
Pa a pode abo da el es udio, se han ab icado 10 o 11 p obe as de cada " ipo"; es deci según sus di e en es
secuencias de apilado (núme o de láminas de 90). Po lo an o, se han ab icado un o al de más de 50 p obe as.
Las medidas de es as p obe as se indican en la igu a 2.3:
Figu a 2.3 Medida de las p obe as.
2.2.2 Co e de las láminas
Pa a ealiza el co e de las láminas, como se ha indicado p e iamen e, es necesa io deja a empe a el
ma e ial du an e una ho a ap oximadamen e as saca lo de la cáma a igo í ica.
2.2 P oceso de ab icación 7
Pa a el co e del ma e ial, es necesa io un cú e , egla y bolíg a o, mos ados en la igu a 2.4. Además, la
condiciones de la sala debe se con oladas y debe ealiza se, siemp e que sea posible, en una sala limpia
asegu ando las condiciones idóneas pa a el co e del ma e ial. Las condiciones es ánda son en e 18 y 20
oC
y 50% de humedad.
Figu a 2.4 Ma e ial empleado pa a el co e de láminas.
El co e del ma e ial ha sido op imizado, de al o ma que se desecha a la meno can idad de ma e ial
posible. Pa a ello, sabiendo que el ollo iene 1 me o de ancho, solo ha sido necesa io un co e de 7,5 me os
de longi ud. Únicamen e se ha desechado 0,58 m2; es deci , menos del 8% de ma e ial eco ado.
2.2.3 Apilado de las láminas
Una ez inalizado el co e de las láminas necesa ias del ma e ial, se p ocede al apilado de las mismas. Es e
p oceso se lle a a cabo de o ma manual median e p esión. Pa a eje ce p esión sob e las láminas se ha hecho
uso de una espá ula, que se puede ap ecia en la imagen 2.5.
Figu a 2.5 Apilado de láminas y espá ula.
El p e-p eg de áb ica lle a un papel p o ec o que e i a que se adhie an pa ículas. Así sob e una supe icie
plana y limpia se an e i ando los plás icos p o ec o es y apilando una lámina sob e o a, siguiendo la
secuencia de apilado desc i a en el apa ado 1.2.
Du an e el apilado es esencial p es a especial a ención a e i a odas las p o ecciones y asegu a que no
se in oduce ninguna pa ícula ex e na en e las láminas.
8Capí ulo 2. Fab icación de p obe as
2.2.4 Fab icación de la bolsa de acío
Una ez se han ab icado los paneles, se p ocede con la mayo an elación posible a la ab icación de la bolsa
de acío pa a p epa a el cu ado en el au ocla e. La ab icación de la bolsa de acío es necesa ia pa a pode
asegu a que se aplica la p esión y empe a u a de o ma uni o me. Además, con la bolsa de acío se ga an iza
que no se in oduzcan pa ículas con enidas en el ai e. Pa a ello, se debe asegu a el espacio su icien e en e
paneles de una misma bolsa de acío. En es e caso se ha ab icado una sola bolsa de acío, con los cinco
paneles dis ibuidos de al o ma que se ga an iza es e espacio. Cabe des aca la impo ancia de la nume ación
de cada panel an es de la ab icación de la bolsa, pa a pode dis ingui los una ez se e mine con el cu ado.
A con inuación, se desa olla el p oceso a segui pa a la ab icación de la bolsa de acío:
1.
Se dis ibuyen los paneles ab icados, con espacio su icien e en e ellos, sob e una plancha de aluminio
o ace o, como se mues a en la igu a 2.6. Se á sob e es a plancha sob e la que se ab ica á la bolsa de
acío y se debe ga an iza que no se in oducen pa ículas sob e la plancha ni los paneles; pa a ello, se
limpia á p e iamen e la plancha y se se á ex emedamen e cuidadoso a la ho a de coloca los paneles.
Figu a 2.6 Paneles dis ibuidos sob e la plancha.
2.
T as la limpieza de la plancha se coloca un e lón en e la plancha y los paneles, que e i a á que és os
se peguen a la plancha. Se puede obse a en la igu a 2.7. Además al ededo de los bo des de cada
panel se coloca á un hilo de co cho. És e e i a á que el ma e ial luya en exceso. A con inuación, se
cub en los paneles con e lón, quedando así cubie as ambas ca as de cada panel.
3.
A con inuación, se cub e odo con una capa de ai wea e. Aquí es necesa io que se cub a odo el ma e ial,
aunque dejando espacio su icien e al bo de de la plancha pa a la colocación del c oma o que se ealiza á
más adelan e.
4.
T as es o, se sella la bolsa con una capa ex e io y cin a de c oma o supe adhe en e. Debe queda
comple amen e sellada pa a pode así, ga an iza el acío de la bolsa. Pa a ello se e isa odos los
bo des con especial a ención.
5.
Finalmen e, se hace un aguje o pa a pode coloca las omas de acío a una dis ancia su icien e de
los paneles, como apa ece en la igu a 2.8. An es de in oduci la bolsa en el au ocla e se asegu a su
co ec a ab icación y que no se p oduzcan ugas ealizandole un acío con la bomba de la sala limpia.
Aho a la bolsa ya es á lis a pa a se in oducida en el au ocla e, igu a 2.9.
2.2 P oceso de ab icación 9
Figu a 2.7 Te lón en e la plancha y paneles.
Figu a 2.8 Bolsa de acío.
2.2.5 Cu ado en au ocla e
Pa a el cu ado en el au ocla e es esencial conoce el ciclo especí ico de cada ma e ial, es os alo es son
de inidos po el p opio ab ican e. Así el obje i o del cu ado es ele a la empe a u a y p esión has a es os
alo es du an e el iempo de e minado. En es e caso en la igu a 2.10, se especi ica el ciclo seguido.
10 Capí ulo 2. Fab icación de p obe as
Figu a 2.9 Realización bolsa de acío.
Figu a 2.10 Ciclo del ma e ial en el au ocla e.
2.2.6 Resanado de paneles
Finalizado el cu ado en el au ocla e se p ocede a la ex acción de los paneles y esanado de és os. En la igu a
2.11, se puede obse a las láminas a la salida del au ocla e.
Como la ab icación de los paneles se ha ealizado jun ando láminas del ma e ial, no se puede asegu a
que los bo des sean coinciden es, po es e mo i o se co an los bo des de cada panel con un disco de co e
ab asi o.
2.2 P oceso de ab icación 11
Figu a 2.11 Láminas al sali del au ocla e.
Po segu idad se debe ene en cuen a las siguien es indicaciones siemp e que se haga uso de la máquina
de co e, igu a 2.12: debe lle a se un equipo de p o ección, ales como ga as, guan es y masca illa; además,
siemp e debe de encende se un ex ac o y e ige a el co e con agua.
Figu a 2.12 Disco de co e po ab asión.
2.2.7 Colocación de acos
Pa a los ensayos se debe ga an iza un aga e co ec o de las mo dazas con el ma e ial. Pa a ello, se usan los
acos. Los acos son láminas de ib a de id io o ien ada a
45
, y se colocan al bo de de cada panel ( inal de la
p obe a) con un adhesi o. El ma e ial usado se puede e en la igu a 2.13.
18 Capí ulo 2. Fab icación de p obe as
Figu a 2.25 "Hueco" en capa de 90.
Figu a 2.26 "Huecos" encon ados en laminado 1.
Figu a 2.27 "Huecos" encon ados en laminado 2.
2.3 Iden i icación de e o es y epe ición 19
Figu a 2.28 "Huecos" encon ados en laminado 4.
Figu a 2.29 "Huecos" encon ados en laminado 8.
Figu a 2.30 "Huecos" encon ados en laminado 12.
20 Capí ulo 2. Fab icación de p obe as
Figu a 2.31 P obe a lijada has a "hueco".
lo que habe ol idado algun es o de ma e ial adhesi o e a algo poco p obable, pues debe ía habe ocu ido
en odos los laminados.
T as obse a y disce ni sob e las posibles causas, se decidió epe i el p oceso de ab icación de p obe as
po comple o, p es ando especial a ención al p oceso de apilado de las láminas y el cu ado del ma e ial.
T as epe i , el p oceso de ab icación siguiendo el p oceso de allado en 2.2, se ol ió a obse a la
apa ición de es os "huecos" aunque, en es e caso, con menos ecuencia. Una ez más, pa a asegu a nos que
es o ocu ía en odos los laminados, se p ocedió al lijada y pulido, y la obse ación de cada uno de ellos. Así,
encon amos que en las láminas con sólo 1 y 2 capas de 90 no apa ecie on es os "huecos", mien as que en el
es o de laminados sí que apa ecie on.
A la is a de las obse aciones, se ha decidido con inua con el es udio aunque és e se cen a a solo en las
p obe as con 1 y 2 capas de 90, p oponiendo la con inuación del es udio en un u u o.
3 Ensayos mecánicos
En
es e capí ulo se desc iben los ensayos a ealiza , la me odología y equipos usados pa a la ealización
de és os. Además, se calcula an los módulos de Young ca ac e ís icos de cada laminado.
Pa a comenza , se ensaya an cinco p obe as de cada ipo de laminado pa a conoce su módulo de Young
ca ac e ís ico, igidez, su ensión a o u a y esis encia. És os da os se án necesa io más adelan e, pa a el
es udio de la apa ición del p ime daño. Pa a ob ene los, se ealiza á un ensayo de acción uniaxial.
His ó icamen e es e ensayo ha se ido pa a la ca ac e ización de ma e iales isó opos, en el caso de los
ma e iales compues os nos se á ú il pa a el cálculo de una se ie de pa áme os.
Los ensayos han sido ealizados en el Labo a o io de Elas icidad y Resis encia de Ma e iales (LERM), y
se han usado los equipos y so wa e disponibles allí.
3.1 Equipos y so wa e
Los equipos y so wa e usados du an e los ensayos mecánicos han sido los siguien es:
•
Máquina de ensayos Ins on 4483 con célula de ca ga de 15000 kg; o en su de ec o, la máquina
de ensayos INSTRON 4482 con célula de ca ga de 10000 kg. Ambas máquinas han sido u ilizadas
indis in amen e según su disponibilidad.
•Ex ensóme o 2630-112 de 50 mm de longi ud y 25 mm de ape u a máxima.
•
O denado p o is o de a je a de adquisición de da os y so wa e de Ges ión de Máquinas Uni e sales
de Ensayos Ins on, Tes Con ol Ins on Se ies. En la igu a 3.1, se puede obse a la pan alla p incipal
del p og ama usado du an e los ensayos.
Figu a 3.1 O denado co iendo el so wa e: Tes Con ol Ins on Se ies.
•Pie de ey con lec o elec ónico pa a la oma de medidas de las p obe as.
21
22 Capí ulo 3. Ensayos mecánicos
3.2 Me odología del ensayo
El p oceso a segui pa a la ealización de los ensayos mecánicos es el siguien e:
1.
Haciendo uso del pie de ey, oma mínimo es medidas, en di e en es amos de la longi ud de la
p obe a, del espeso y ancho de és a. Es os da os son necesa ios pa a el cálculo del á ea, que se á
necesa ia pa a conoce la ensión y módulo de Young.
2.
P epa ación de la máquina pa a el ensayo que se aya a ealiza . En es e caso, como la sección de
las p obe as es ec angula se seleccionan las mo dazas idóneas pa a es e ipo de sección y po la
disposición de las ib as en el laminado, se coloca una célula de ca ga de mínimo 10000 kg.
3. Calib ación de la máquina de ensayos es á ica.
4.
Colocación de la p obe a en e las mo dazas como apa ece en la igu a 3.2. En es e pun o es muy
impo an e que la p obe a quede bien aga ada po las mo dazas; además de ga an iza que quede
alineada con la di ección de la ca ga. Pa a es e pun o, se suele hace uso de una escuad a que con i ma
el co ec o posicionamien o de la p obe a.
5.
Si pa a el ensayo es necesa io, colocación del ex ensóme o en la p obe a. Debe coloca se sob e la
pa e cen al de la p obe a y con especial a ención a su co ec a colocación. Pues nos basa emos en el
desplazamien o del ex ensóme o pa a la ecopilación de da os.
6.
Uso del p og ama Tes Con ol Ins on Se ies pa a el con ol de la máquina. En es e p og ama se usa á
el modo de ensayo gene al, ensayo de acción. El ensayo se ealiza á con con ol en desplazamien o,
con una elocidad con olada.
7.
Po úl imo, el p og ama egis a y gua da los da os an o de ue za como desplazamien o del ensayo,
aplicados du an e odo el ensayo en un a chi o de ex o.
Figu a 3.2 Ensayo de p obe a a o u a.
3.3 Ensayos de acción
Como se ha desc i o an e io men e, an es del es udio de la apa ición del daño, es necesa ia la ealización
de un ensayo has a la o u a del ma e ial que nos p opo ciona á la esis encia y igidez de cada laminado.
El p og ama u ilizado egis a los da os de ue za y desplazamien o del ex ensóme o. Sin emba go, pa a
la compa ación de los esul ados ob enidos con cada laminado y pa a el cálculo del módulo de Young, es
necesa io conoce la ensión (MPa) en e a las de o maciones que se p oducen en la di ección de la ca ga.
Pa a ello se conoce:
σ=F
A(3.1)
ε=∆L
L0
(3.2)
3.3 Ensayos de acción 23
Donde F se e ie e a la ue za, A se e ie e al á ea de la sección,
∆L
la ape u a del ex ensóme o y
L0
la
ape u a inicial de és e, que e an 50 mm.
Así debido al compo amien o elás ico lineal del ma e ial has a la o u a, el Módulo de Elas icidad iene
dado po la pendien e de la cu a σ−ε:
E=∆σ
∆ε(3.3)
Además pa a el cálculo de la ensión de o u a,
σR
, aplica íamos la ecuación 3.1, pa icula izando pa a la
ue za de o u a, FR:
σR=FR
A(3.4)
En la de e minación de las medidas ha sido necesa io ealiza el cálculo p omedio de las p obe as ensayadas,
po lo que se á de u ilidad las exp esiones del alo medio y la des iación ípica, así como, el coe icien e de
a iación:
Valo medio:
X=∑n
i=1Xi
n(3.5)
Des iación ípica:
σ=q∑n
i=1(Xi−X)2
n−1(3.6)
Coe icien e de a iación:
C.V.=100 ·
σ
X(3.7)
P e io al análisis de esul ados, cabe des aca , el p ocedimien o que se ha seguido pa a el cálculo de la
ensión de o u a y el módulo de Young du an e el ensayo. Con el conocimien o p e io de o os ensayos
ealizados en el LERM, se conoce que la ensión de o u a enía que supe a las 5 oneladas de ca ga. Po ello,
se ecopilan da os de la de o mación de la p obe a con el ex ensóme o has a ap oximadamen e 1 onelada. A
pa i de es a ca ga, se e i a el ex ensóme o po segu idad y se ensaya has a la o u a de la p obe a como se
puede obse a en la igu a 3.3.
Figu a 3.3 Ro u a de p obe a du an e ensayo.
Cabe des aca , que muchos de los da os iniciales del ensayo se han omi ido debido a que en ese momen o
se puede p oduci luc uaciones en el desplazamien o debido a que las mo dazas aun no se han ijado lo
su icien e sob e la p obe a, p oduciéndose un pequeño deslizamien o.
24 Capí ulo 3. Ensayos mecánicos
Pa a la ob ención de los da os de cada p obe a, se han omado a ias medidas del módulo de Young, en
di e en es amos de la ec a, y se ha calculado un alo medio, siemp e que los indicado es de dispe sión de
los da os se encon ase en un alo azonable.
3.3.1 Resul ados pa a laminado 1, [08,90,08]
Pa a ob ene la ensión máxima y módulo de Young del laminado 1 se lle a on has a la o u a las p obe as
1A,1D, 1G, 1F y 1K. Sus ca ac e ís icas geomé icas se ecogen en la abla 3.1:
Tabla 3.1 Ca ac e ís icas geomé icas de las p obe as del laminado 1.
P obe a Ancho (mm) Espeso (mm) Á ea (mm2)
1A 22.95 1.61 36.87
1D 25.28 1.71 43.39
1G 25.17 1.71 42.95
1F 25.43 1.73 44.01
1K 24.99 1.52 38.07
A pa i de la nube de pun os ob enida as el ensayo, se ep esen a la g á ica ue za-desplazamien o, igu a
3.4. Cabe des aca que la igu a 3.4 se co a al alcanza 1 onelada de ue za, ya que po segu idad se e i ó el
ex ensóme o du an e los ensayos, así se e i ó igualmen e pa a las g á icas 3.5, 3.6, 3.7 y 3.8.
Figu a 3.4
G á ica de la e olución de la ca ga en e a desplazamien o de ex ensóme o de las p obe as del
laminado 1.
A pa i de los da os de la g á ica 3.4, se puede obse a que a pa i de la pendien e de és a se puede llega
a ob ene el Módulo de Young (E). La p obe a 1D ob u o da os de desplazamien os e óneos, segu amen e
po una colocación e ónea del ex ensóme o, es a p obe a se á excluida del es udio del Módulo de Young
aunque si se á enida en cuen a pa a el es udio de la ca ga de o u a.
A con inuación, se mues an los da os medios del módulo de Young y de la ensión de o u a en la abla
3.2, así como los pa áme os es adís icos de dispe sión, que nos indica án si es os da os se encuen an en un
ango acep able pa a pode conside a los da os como co ec os.
Además, cabe des aca , que la ensión de o u a de la p obe a 1K, no se egis ó debido a que se p odujo
un deslizamien o y allo del aco, ompiendo an es del momen o de o u a del ma e ial.
3.3 Ensayos de acción 25
Tabla 3.2 Resis encia y igidez de las p obe as del laminado 1.
Laminado 1 Módulo de Young (GPa) σR(Mpa)
1A 109.09 1648.46
1D N/A 1647.59
1G 70.61 1604.46
1F 78.81 1677.35
1K 103.58 N/A
Valo Medio 89.05 1644.26
Des iación ípica 18.6 30.04
Coe icien e de Va iación 20.9 1.8
Como se puede obse a , a la luz de los esul ados del coe icien e de a iación y des iación ípica, mien as
los da os de ensión de o u a se encuen an en un ma gen co ec o, los elacionados con el módulo de Young
p esen a cie a a iación. És o se puede debe a que las p obe as 1G y 1F p esen an un módulo de Young
excesi amen e bajo. Es as p obe as no ue on lijadas y pulidas, y po an o, no se comp obó si p esen aban
los "huecos" desc i os en el apa ado 2.3. Así, es a des iación en los esul ados pod ía debe se a la p esencia
de es os "huecos".
3.3.2 Resul ados pa a laminado 2, [08,902,08]
Pa a ob ene la ensión máxima y módulo de Young del laminado 2 se lle a on has a la o u a a las p obe as
2G, 2B, 2J, 2K y 2A. Sus ca ac e ís icas geomé icas son las mos adas en la abla 3.3:
Tabla 3.3 Ca ac e ís icas geomé icas de las p obe as del laminado 2.
P obe a Ancho (mm) Espeso (mm) Á ea (mm2)
2G 25.44 1.83 46.64
2B 25.58 1.83 46.80
2J 25.56 1.80 46
2K 25.77 1.64 40.60
2A 25.20 1.66 42
A pa i de la nube de pun os ob enida as el ensayo, se ep esen a la g á ica ue za-desplazamien o, igu a
3.5:
Figu a 3.5
G á ica de la e olución de la ca ga en e a desplazamien o de ex ensóme o de las p obe as del
laminado 2.
En es e caso, se obse a como la pendien e de la g á ica de la p obe a 2G pa ece bas an e in e io al es o
de p obe as. Es o puede debe se a una inco ec a medida inicial de los desplazamien os del ex ensóme o,
po una mala colocación o un deslizamien o de las mo dazas sob e la p obe a. Sin emba go, el cálculo del
módulo de Young no se e á a ec ado po que pa a su ealización, es e amo inicial ha sido desca ado. Pa a
26 Capí ulo 3. Ensayos mecánicos
el cálculo de la ensión de o u a la p obe a 2K ha quedado excluida debido a que se p odujo una o u a del
aco an es que la del ma e ial.
Además, se puede obse a como el módulo de Young y la ensión de o u a disminuyen con espec o al
an eio laminado, debido p incipalmen e al aumen o del á ea de la sección, en el apa ado de esumen de
da os se acla a á es e enómeno.
Tabla 3.4 Resis encia y igidez de las p obe as del laminado 2.
Laminado 2 Módulo de Young (GPa) σR(Mpa)
2G 104.24 1430.96
2B 87.84 1257.75
2J 107.5 1573.46
2K 97.68 N/A
2A 119.32 1166.86
Valo Medio 102.78 1348.26
Des iación ípica 11.68 181.05
Coe icien e de Va iación 11.3 13
A la luz de los esul ados en la abla 3.4 del coe icien e de a iación y des iación ípica, los da os ob enidos
se encuen an en una ango al o aunque su icien e como pa a se acep ado.
3.3.3 Resul ados pa a laminado 4, [08,904,08]
Pa a ob ene la ensión máxima y módulo de Young del laminado 4 se lle a on has a la o u a a las p obe as
4J, 4D, 4C, 4H y 4B. Sus ca ac e ís icas geomé icas se ecogen en la abla 3.5:
Tabla 3.5 Ca ac e ís icas geomé icas de las p obe as del laminado 4.
P obe a Ancho (mm) Espeso (mm) Á ea (mm2)
4J 25.59 2 51.44
4D 25.54 2 51.18
4C 25.57 1.99 51.05
4H 25.55 2.01 51.44
4B 25.59 2.02 51.60
A pa i de la nube de pun os ob enida as el ensayo, se ep esen a la g á ica ue za-desplazamien o, igu a
3.6:
Figu a 3.6
G á ica de la e olución de la ca ga en e a desplazamien o de ex ensóme o de las p obe as del
laminado 4.
3.3 Ensayos de acción 27
De nue o, se puede obse a como la pendien e se man iene cons an e p ác icamen e en e las di e en es
p obe as del laminado.
Tabla 3.6 Resis encia y igidez de las p obe as del laminado 4.
Laminado 4 Módulo de Young (GPa) σR(Mpa)
4J 89.06 1573.85
4D 89.74 1424.08
4C 92.84 1412.54
4H 94.86 1380.31
4B 80.56 1424.97
Valo Medio 89.27 1441.64
Des iación ípica 5.48 75.27
Coe icien e de Va iación 6.1 5.22
De nue o, los esul ados de la abla 3.6, se man ienen den o de un ango de des iación acep able como
pa a conside a los co ec os.
3.3.4 Resul ados pa a laminado 8, [08,908,08]
Pa a ob ene la ensión máxima y módulo de Young del laminado 8 se lle a on has a la o u a a las p obe as
8G, 8E, 8D, 8C y 8H. Sus ca ac e ís icas geomé icas son las siguien es, abla 3.7:
Tabla 3.7 Ca ac e ís icas geomé icas de las p obe as del laminado 8.
P obe a Ancho (mm) Espeso (mm) Á ea (mm2)
8G 25.58 2.39 61.13
8E 25.57 2.41 61.61
8D 25.60 2.38 60.92
8C 25.60 2.38 61.02
8H 25.47 2.40 61.03
A pa i de la nube de pun os ob enida as el ensayo, se ep esen a la g á ica ue za-desplazamien o en la
igu a 3.7:
Figu a 3.7
G á ica de la e olución de la ca ga en e a desplazamien o de ex ensóme o de las p obe as del
laminado 8.
34 Capí ulo 4. Apa ición del p ime daño
Figu a 4.3 P ime daño de la p obe a 1J.
Figu a 4.4 P ime daño de la p obe a 1H.
Resul a de in e és; po an o, es udia ambién la e olución de la g ie a den o de la capa de 90 y como el
daño c eciendo a lo la go del espeso de la capa de 90 g ados.
4.2.1 E olución del daño en el laminado 1
Pa a ealiza el análisis de la e olución del daño en el laminado 1, se ha ep esen ado en una g á ica ensión-
de o mación, igu a 4.5, la e olución de uno de los daños es udiados:
Figu a 4.5 E olución del daño en laminado 1.
4.2 Laminado 1 35
En la g á ica se puede obse a como un despegue aislado de ec ado a 0.24
%
de de o mación, al aplica se
una ensión de 332.67 MPa, ha ido despegando la unión ma iz- ib a de las ib as ce canas has a llega a se
un daño ans e sal gene alizado.
Es e p ime daño, se p oduce en la zona más débil de la p obe a según la ca ga aplicada. És o es, en la
capa de 90 en di ección pe pendicula a la ca ga en la in e ase ma iz- ib a, es la zona más p obable pa a la
apa ición del despegue po se el pun o más débil.
Con o me, se a ealizando el aumen o de ca ga g adual, el daño a e olucionando en la di ección
pe pendicula a la di ección de la ca ga aplicada.
Cuando la ensión alcanza un alo de 922,7 MPa ya se pueden obse a despegues con inuos. Y ya jus o
an es de ompe al ededo de una ensión de 1611.96 MPa y una de o mación mayo del 1
%
se puede obse a
como casi llega a se una g ie a ans e sal. El daño, en es e caso, no llega a cub i oda la lámina de 90
habiendo cie as discon inuidades en la g ie a, que no llega a uni se del odo.
A con inuación se mues an imágenes de la e olución de las g ie as en las p obe as del laminado 1, igu as
4.6, 4.7, 4.8, 4.9 y 4.10.
Figu a 4.6 G ie a de la p obe a 1B en E10.
Figu a 4.7 G ie a de la p obe a 1C en E8.
En las an e io es imágenes se puede obse a como con el mé odo de aumen o de ca gas g aduales, se
puede llega a de ec a la apa ición del p ime daño de o ma su icien emen e exac a.
36 Capí ulo 4. Apa ición del p ime daño
Figu a 4.8 G ie a de la p obe a 1I en E9.
Figu a 4.9 G ie a de la p obe a 1J en E1 y E8.
Figu a 4.10 G ie a de la p obe a 1H en E1 y E8.
Además, a la ho a de iden i ica el daño se debe di e encia según su es ado de c ecimien o y de su
desa ollo a lo la go de la capa de 90.
Así, pueden apa ece despegues aislados, como apa ecen en la imagen 4.7. En es e ipo de despegues se
p oduce la sepa ación pa cial de la ib a y ma iz de o ma aislada y pun ual, en zonas ce canas a la in e ase
ib a y ma iz que anuncian la p esencia de una u u a delaminación, [3].
También se pueden p oduci unos despegues con inuos, como apa ecen en la imagen 4.10, se a a de
a ios despegues aislados consecu i os.
Po úl imo, apa ece el daño ans e sal gene alizado como aquel daño con inuo a lo la go de la capa de 90.
Si el daño llega a conec a con la in e ase en e la capa de 90 y de 0 pasa ía a denomina se g ie a ans e sal.
4.3 Laminado 2 37
4.3 Laminado 2
A con inuación en la abla 4.2, se mues an los da os egis ados du an e el es udio de la apa ición del p ime
daño pa a el laminado 2. Como con el laminado 1 cuando la ca ga aplicada se ace ca a la ca ga de o u a
ca ac e ís ica del laminado, se ha decidido no u iliza el ex ensóme o po segu idad y man enimien o del
equipo; y po an o, no se ienen egis os de la de o mación pa a és as úl imas ca gas.
Al aplica se un aumen o de ca ga g adual, no se conoce á la ca ga exac a en la que apa ece el p ime daño,
pe o sí, un pequeño in e alo en el que ha apa ecido és e. Es e ango de ca gas se indica á en la siguien e
abla 4.2, siendo de colo g is la úl ima ca ga sin daño y colo azul la p ime a donde se obse ó daño.
Tabla 4.2 Apa ición p ime daño laminado 2.
P obe a Á ea (mm2) Ensayo Fue za (N) Tensión (MPa) De o mación (%)
E1 13292.55 294.3 0.302
E2 14185.26 314.06 0.304
E3 16009.92 354.46 0.3476
E4 20090.88 444.81 0.3852
2I 45.17 E5 25025.31 554.06 0.5786
E6 30499.29 675.25 0.69
E7 35296.38 781.46 0.0.7114
E8 40230.81 890.7 0.8268
E9 44537.4 986.05 0.9798
E10 72525.33 1605.7 N/A
E1 12968.82 284.92 0.247
E2 14253.93 313.15 0.31
E3 15146.69 332.76 0.4752
E4 20238.93 444.63 0.5356
2F 45.52 E5 25143.03 552.37 0.612
E6 30263.85 664.87 0.7366
E7 40113.09 881.25 0.8724
E8 50089.86 1100.44 N/A
E9 59831.19 1314.45 N/A
E1 12919.77 285.38 0.298
E2 14195.07 313.55 0.31
E3 15244.74 336.73 0.396
E4 20345.94 449.41 0.6
2D 45.27 E5 25182.27 556.24 0.6564
E6 30715.11 678.45 0.68
E7 40672.26 898.38 0.7798
E8 50187.96 1108.57 N/A
E9 59605.56 1316.59 N/A
E1 12988.82 288.41 0.2766
E2 14008.62 311.06 0.2926
E3 15058.35 334.37 0.3464
2C 45.04 E4 20208.6 448.73 0.537
E5 25015.5 555.46 0.5458
E6 30420.81 675.49 0.5786
E7 40328.91 895.49 0.7168
E8 52444.26 1164.51 N/A
E9 60714.09 1348.14 N/A
E1 13066.92 293.14 0.2792
E2 14146.02 317.35 0.4308
E3 20502.9 459.97 0.51
2E 44.57 E4 30322.71 680.26 0.7114
E5 40505.49 908.71 0.8658
E6 50639.22 1136.05 N/A
E7 61724.52 1384.74 N/A
38 Capí ulo 4. Apa ición del p ime daño
A la luz de los esul ados que se mues an en la abla 4.2, se puede conc e a que pa a el laminado 2; es
deci , con 2 capas de 90 en e las de 0, el ango de ca ga, ensión y de o mación al que apa ece el p ime
daño ( igu a 4.11) se ía ap oximadamen e:
Ca ga: 12900-14000 N Tensión: 285-310 MPa De o mación: 0.23%-0.3 %
Figu a 4.11 Rango de apa ición del p ime daño en L2.
Como se puede obse a en las p óximas imágenes la apa ición del p ime daño se de ec ó en un momen o
de e olución del daño bas an e emp ana. És o ayuda a aco a mejo la apa ición de es e p ime daño. También
cabe des aca como en e las di e en es p obe as se p oducía es e p ime daño, p ác icamen e, en los mismos
angos de ca ga.
El máximo de los ni eles de ca ga pos e io es al p ime daño es 14195.07 N, una ca ga meno que la del
laminado 1, y el mínimo an e io al p ime daño es de 12919.77 N. En cuan o a la de o mación ocu e lo
mismo y es el que el alo máximo pos e io al p ime daño ha sido de 0.31
%
y el mínimo an e io de 0.24
%
.
Como se puede comp oba , la apa ición del p ime daño en el laminado con dos capas de 90, se ha
p oducido a ni eles de ca ga del mismo ango que en los laminados de una sola capa de 90.
A con inuación se mues a una memo ia o og á ica de la apa ición del p ime daño en las p obe as del
laminado 2, igu as 4.12, 4.13 y 4.14:
Figu a 4.12 P ime daño de la p obe a 2B.
4.3 Laminado 2 39
Figu a 4.13 P ime daño de la p obe a 2E.
Figu a 4.14 P ime daño de la p obe a 2I.
En las an e io es imágenes se puede obse a como con el mé odo de aumen o de ca ga g adual, se puede
llega a de ec a la apa ición del p ime daño de o ma su icien emen e exac a.
Además, a la ho a de iden i ica el daño se debe di e encia según su es ado de c ecimien o y de su
desa ollo a lo la go de la capa de 90.
Como se comen ó pa a el laminado 1, se clasi ica á el daño según su e olución. En las p óximas secciones
se es udia á más a ondo la e olución de es e p ime daño a lo la go de las capas de 90.
4.3.1 E olución del daño en el laminado 2
Pa a ealiza el análisis de la e olución del daño en el laminado 2, se ha ep esen ado en una g á ica ensión-
de o mación, igu a 4.15, la e olución de uno de los daños es udiados:
Figu a 4.15 E olución del daño en laminado 2.
40 Capí ulo 4. Apa ición del p ime daño
En la g á ica se puede obse a como un despegue aislado de ec ado a 0.247
%
de de o mación, al aplica se
una ensión de 284.92 MPa, ha ido despegando la in e ase ma iz- ib a de las ib as ce canas has a llega a
se una g ie a ans e sal. Cabe des aca , que en es e caso, se p oduce la apa ición de una delaminación; es
deci , una sepa ación en e las capas de 90 y 0 du an e la e olución del daño a a és de la unión de despegues
de ib a-ma iz o ien ados de o ma pa alela a las ib as de la capa de 0 g ados.
Como ocu ía con el laminado 1 es e p ime daño, se p oduce en la zona más débil de la p obe a según la
ca ga aplicada. És o es, en la capa de 90 en di ección pe pendicula a la ca ga en la unión ma iz- ib a, es
la zona más p obable pa a la apa ición del despegue. Sin emba go, cabe des aca que la apa ación de es e
p ime daño con espec o a la apa ición del p ime daño en el laminado 1, se ha p oducido a una meno
ensión ya que; en es e caso, iene dos capas de 90 (más espeso a 90).
Con o me se a ealizando el aumen o de ca ga g adual, el daño a e olucionando en la di ección pe pen-
dicula a la di ección de la ca ga aplicada.
Cuando la ensión alcanza un alo de 881.25 MPa ya se pueden obse a despegues con inuos. Y ya
jus o an es de ompe al ededo de una ensión de 1314.45 MPa y una de o mación mayo del 1
%
se puede
obse a como casi llega a se una g ie a ans e sal con daño de delaminación. El daño, en es e caso, llega
a cub i oda la lámina de 90. A con inuación se mues an imágenes de la e olución de las g ie as en las
p obe as del laminado 2, igu as 4.16, 4.17, 4.18, 4.19 y 4.20.
Figu a 4.16 G ie a de la p obe a 2I en E1 y E9.
Figu a 4.17 G ie a de la p obe a 2F en E8.
4.3 Laminado 2 41
Figu a 4.18 G ie a de la p obe a 2D en E1 y E8.
Figu a 4.19 G ie a de la p obe a 2C en E8.
Figu a 4.20 G ie a de la p obe a 2E en E1 y E6.
5 Discusión de esul ados
T as expone los esul ados ob enidos en cada uno de los laminados some idos a es udio se pasa al análisis
inal de és os. Hay que ene en cuen a, que el obje i o inicial del abajo e a ealiza un análisis de la posible
p esencia del llamado "e ec o a escala" pa a cinco laminados en el cual se a iaba el núme o de capas de 90.
El e ec o a escala consis e en el e aso en la apa ición del daño a medida que se disminuye el espeso de
las capas. Como se de alla en la memo ia aunque se ealizó su ab icación, y se ha llegado a ca ac e iza
es os laminados, no se ha podido analiza la apa ición del p ime daño ni; po an o, su e olución, en los
laminados 4, 8 y 12, debido a los p oblemas de allados en la sección 2.3.
Pa a pode e mina el es udio y compa a lo con el aquí ealizado se ía con enien e usa el mismo ollo
analizado y desc i o en la sección 2.1 y analiza es os úl imos laminados. Sin emba go, al a a se de un
p oblema asociado al ma e ial, hab ía que analiza si en el ollo exis en pa es que es én en pe ec o es ado o
comenza una in es igación comple a con un nue o ma e ial. Ya que, se ía un e o in en a compa a los
esul ados aquí ob enidos con los ob enidos con o o ipo de ma e ial.
A con inuación, se a a analiza la in luencia del espeso de la capa de 90 espec o a la apa ición del p ime
daño y su e olución con los da os mos ados en la abla 5.1.
A e ec os de analiza el posible e ec o a escala que apa ece en los laminados se a a esca a los angos,
alo es mínimo y máximo, de ca ga, ensión y de o mación de apa ición del p ime daño y los alo es medios
de ca ga, ensión y de o mación a los que las p obe as con aban con una única g ie a ans e sal:
Tabla 5.1 Recopilación de da os en la apa ición del p ime daño.
Laminado Rango Fue za (N) Tensión (MPa) De o mación (%)
Mínimo 13086.54 299.87 0.2402
[08,90,09]Máximo 14469.75 337.01 0.3382
Media 14284.84 329.4 0.3219
Des iación ípica 131.87 5.41 0.02
Mínimo 12919.77 285.38 0.24
[08,902,09]Máximo 14195.07 314.06 0.31
Media 13673.79 303,1 0.2856
Des iación ípica 614.43 13.44 0.025
Obse ando los esul ados, si compa amos los dos laminados se puede deduci que con o me aumen a
el espeso de las láminas a 90 g ados disminuye, aunque en muy poca medida, an o la ca ga como la
de o mación media a la que apa ece la p ime a g ie a.
Además, el alo de la ensión media; es deci , la ue za po unidad de á ea que es á aguan ando la p obe a
en el momen o en el que apa ece el p ime daño, es ambién algo mayo en las p obe as con meno espeso a
90.
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