Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos Autor: Julio Gil Jiménez Tutores: Serafín Sánchez Carmona Alberto Barroso Caro Dpto. Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Sevilla, 20 22 iii Proyecto Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos Autor: Julio Gil Jiménez Tutores: Serafín Sánchez Carmona Alberto Barroso Caro Dpto. Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 v Proyecto Fin de Grado: Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos Autor: Julio Gil Jiménez Tutores: Serafín Sánchez Carmona Alberto Barroso Caro El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2022 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis amigos ix Agradecimientos La entrega de este proyecto supone el final de una etapa muy importante de mi vida. Cuando entras en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla uno tiene la certeza de que convertirse en ingeniero consiste en adquirir muchos conceptos técnicos para poder aplicar en tu vida laboral. Sin embargo, cuando uno afronta la recta final de la carrera se da cuenta de que esto no es así ni mucho menos. Lo que realmente te aporta la Escuela son sus valores y el logro de haber superado una carrera llena de obstáculos. Todo esto no hubiera sido posible realizarlo solo, y es por ello por lo que me gustaría agradecer: A mis padres por haberme dado todos los recursos y la motivación necesaria para ser quien quiero ser. A mis hermanos por haberme apoyado en todo momento incondicionalmente. A mis abuelos, Gregorio, Lola, Julio y Marisol por las promesas que me hacen cumplir y por el cariño que siempre me han mostrado. A todos y cada uno de mis amigos por soportarme y acompañarme a lo largo de esta etapa. A todos los profesores que me han acompañado desde primaria. Y por supuesto a Serafín y Alberto por la plena implicación que han mostrado, por haber estado ahí resolviendo todas mis dudas e intentando que este proyecto salga lo mejor posible. Nada de esto hubiera sido posible sin vosotros. Julio Gil Jiménez Sevilla, 2022 Í NDICE DE F IGURAS Figura 1: Clasificación de los materiales compuestos según los refuerzos. [1] 2 Figura 2: Evolución del uso de materiales compuestos en la aviación [9]. 3 Figura 3: Distintos sistemas de materiales compuestos. [10] 4 Figura 4: Composición de laminados. [10] 4 Figura 5: Isolated-Continued Debonds. 9 Figura 6: Generalised Transverse Damage. 9 Figura 7: Generalised Transverse Damage with Kinking. 9 Figura 8: Transverse crack. 10 Figura 9: Longitudinal Debond. 10 Figura 10: Delamination Trace. 11 Figura 11: Figura 11. 11 Figura 12: Fotocomposición de una réplica de la probeta CP450 PD1_2. 11 Figura 13: Daño en la capa de 0º de la probeta CP450 PD1_2. 12 Figura 14: Fotocomposición de la probeta CP30 PD1_3 con detalles de I-CD. 13 Figura 15: Daño presente en las capas de 0º del bloque CP30 PD1. 14 Figura 16: Fotocomposición de la probeta CP30 PD2_1. 14 Figura 17: Daño presente en las capas de 0º del bloque CP30 PD2. 15 Figura 18: Ejemplo de delaminación en la probeta CP30 PD3_3. 16 Figura 19: Fotocomposición de la probeta CP30 PD3_1. 16 Figura 20: Ejemplo de grieta horizontal en la que aparece un cambio de plano. 17 Figura 21: Daño presente en las capas de 0º del bloque CP30 PD3. 17 Figura 22: Esquema de Ensayo a flexión en cuatro puntos [2]. 19 Figura 23: Útiles del ensayo a flexión con los datos especificados en la tabla [3]. 20 Figura 24: Esquema del ensayo a flexión. 21 Figura 25: Probeta CP30 PD2_1 con fibras en la capa de 0º despegadas. 26 Figura 26: Probeta CP30 PD2_1 con fibras en la capa de 0º despegadas. 27 Figura 27: Modelo con grieta longitudinal. 33 Figura 28: Esquema del diseño del modelo. 33 Figura 29: Modelo previo a aplicación de las cargas. 36 Figura 30: Rodillo con grandes desplazamientos. Figura 31: Rodillo con pequeños desplazamientos. 40 Figura 32: Campo de desplazamientos verticales de la probeta deformada con una longitud de grieta de 70mm. 42 Figura 33: Campo de desplazamientos verticales de la probeta deformada con una longitud xvii de grieta de 40mm. 43 Figura 34: Modelo con grieta longitudinal y transversales. 43 1 1 I NTRODUCCIÓN n la actualidad, se requieren elementos estructurales cada vez más avanzados y con mayores prestaciones para la industria. Este hecho supone un ambicioso reto para muchos ámbitos técnicos, en concreto para la investigación de nuevos materiales. Gracias a las posibilidades que brindan los materiales compuestos, un ingeniero debe poder diseñar un material adecuado para cada aplicación requerida, mediante la correcta elección y combinación de elementos. Esto requiere un largo y complejo proceso de diseño que exige contemplar multitud de cuestiones. Es por ello que la motivación de este TFG sea la de aportar nuevos avances en la investigación sobre materiales compuestos que aún no estén estudiados en su totalidad. 1.1 Definición de materiales compuestos Debido a la constante aparición de nuevos materiales y a la evolución de estos, la definición de los materiales compuestos está en constante revisión. Tal y como se expresa en [1], 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. La principal ventaja de los materiales compuestos es la posibilidad de obtener un conjunto de propiedades imposible de alcanzar con los elementos actuando de manera aislada. En este tipo de materiales distinguimos dos componentes fundamentales: • Matriz: Este elemento es el encargado de unir todo el material y aparece en fase continua. Las materias primas más usadas para la matriz son las resinas epoxi y poliéster. • Refuerzo: Este es el elemento encargado de transmitir cargas a la matriz, por lo que aporta gran parte de las propiedades mecánicas del material. Debido a la enorme variedad de materiales compuestos es complicado hacer una clasificación completa de los mismos, sin embargo, una clasificación interesante es según el tipo de refuerzo, tal y como se muestra en la Figura 1. E Introducción 2 Figura 1: Clasificación de los materiales compuestos según los refuerzos. [1] Las principales características que presentan los materiales compuestos son: - Alta resistencia en relación con el peso. - Baja densidad. - Buen comportamiento a fatiga. - Alta resistencia dieléctrica (buenos aislantes eléctricos). 1.2 Uso de materiales compuestos Teniendo en cuenta las principales características de los materiales compuestos descritas anteriormente y la posibilidad de diseñar estos para conseguir propiedades específicas, resulta sencillo entender por qué su uso en industrias como la aeronáutica y aeroespacial está en auge. En estos sectores precisan de materiales con una relación resistencia/densidad muy alta, propiedad que poseen los materiales compuestos. Gracias a esto se consigue reducir de manera considerable el peso de los aviones, naves y diversas estructuras, lo que se traduce en una disminución de la potencia requerida y por lo tanto del consumo de combustible. En la Figura 2 podemos ver reflejado la evolución del uso de materiales compuestos en la fabricación de vehículos aéreos en las últimas décadas, llegando a suponer más de un 50% del peso en aviones como el Airbus A350 y cerca del 90% en el helicóptero NH90 [9]. Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos 3 3 Figura 2: Evolución del uso de materiales compuestos en la aviación [9]. Además de la industria aeronáutica y la aeroespacial, existen infinidad de sectores donde se utilizan este tipo de materiales como las industrias automovilística, naval, química o deportiva. Aunque los materiales compuestos tengan tantas ventajas, existe un inconveniente principal: su precio. El coste de estos materiales es bastante elevado debido a la complejidad y el tiempo empleado para su fabricación. 1.3 Fabricación de laminados Para el interés de este trabajo nos centraremos en la fabricación de laminados, es decir, materiales compuestos por varias capas unidireccionales de fibras largas orientadas en varias direcciones llamadas láminas como observamos en la Figura 4. Dependiendo de las cargas a las que vaya a solicitarse un laminado, las capas que lo conformen se orientarán de la manera más idónea para conseguir unas propiedades mecánicas adecuadas. Se ha de recalcar que no es la única manera en la que podemos encontrar los materiales compuestos tal y como se muestra en la Figura 3. Introducción 4 Figura 3: Distintos sistemas de materiales compuestos. [10] Figura 4: Composición de laminados. [10] El proceso de fabricación al que han sido sometido las láminas utilizadas en este TFG se lleva a cabo mediante láminas ultradelgadas prefabricadas. Todo este proceso se ha de realizar en una sala limpia en la que se controle temperatura, humedad y presión de tal manera que el material compuesto no sufra deterioro ni contaminación. En primer lugar, se ha de realizar el corte de las láminas prefabricadas del material compuesto con las medidas deseadas, para apilarlas y orientarlas de tal manera que se obtenga el laminado que se buscaba aplicando presión. A continuación, se ha de tratar térmicamente el laminado en una máquina autoclave en la que se puede aplicar la presión y temperatura adecuada para curar los materiales. Por último, se le pegan tacos en dos de los laterales de fibra de vidrio para proteger el laminado, tras lo cual se procede a cortar el laminado en las probetas con el tamaño deseado. Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos 5 5 1.4 Motivación y objetivo del proyecto Los materiales compuestos por resina epoxi y fibra de carbono han sido más que estudiados a lo largo de las últimas décadas, debido al uso exponencial que se le estaba dando para la fabricación de componentes estructurales dentro de la industria aeronáutica. Uno de los principales aspectos estudiados de este tipo de materiales ha sido la aparición y propagación de daño ante la aplicación de cargas estáticas y dinámicas. Estas investigaciones se han llevado a cabo en laminados comúnmente utilizados dentro de la industria, compuestas de láminas de 120 m o espesores mayores; sin embargo, existen otras láminas con una significativa reducción de espesor a las que se conocen como láminas ultradelgadas. Recientemente, la tecnología para la fabricación de estas ha mejorado significativamente y los estudios relacionados con su uso se han incrementado [3]. El Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales (GERM) de la Universidad de Sevilla ha invertido multitud de recursos para ampliar el conocimiento sobre el fenómeno conocido como “scale effect” [3], el cual está relacionado con el uso de las láminas ultradelgadas. Dicho fenómeno implica un cambio en el mecanismo de aparición del daño en la capa más desfavorable de un laminado cross-ply, capa 90º. Estos estudios han sido realizados bajo el efecto de cargas estáticas y actualmente, se están realizando campañas experimentales para analizar el comportamiento de dichas láminas ultradelgadas ante carga cíclica con el fin de identificar si existe también un efecto escala. Dentro de dicho ámbito, se enmarca este trabajo, el cual tiene como objetivo analizar el comportamiento a flexión de laminados cross-ply tras haber sido sometidos a fatiga, con el fin de identificar cómo afecta los daños acaecidos en estos laminados cuando son fabricados con láminas ultradelgadas. Para lograr dicho objetivo, este proyecto se organiza en distintas etapas. En primer, lugar se lleva a cabo un exhaustivo análisis donde se caracteriza el daño a fatiga existente en la capa de 90º a distintos bloques de probetas ciclados a diversas cargas y número de ciclos. A continuación, dichas probetas se ensayan a flexión hasta la rotura, con el fin de relacionar el daño que presentan con las propiedades mecánicas fundamentales a flexión. Por último, se realizan los modelos numéricos en ANSYS de ambos laminados siguiendo los patrones de daño microscópico observados para cada caso. Introducción 6 7 2 A NÁLISIS DEL DAÑO A FATIGA EN LAMINADOS CROSS - PLY n este capítulo se detallará el análisis del daño a fatiga en las probetas de laminados cross-ply previamente cicladas, prestando especial atención al daño producido en la capa de 90º. El contenido de este capítulo es altamente novedoso, ya que los estudios a fatiga en materiales compuestos por láminas ultradelgadas están desarrollándose actualmente, en los cuales el GERM está aportando información valiosa en cuanto a los mecanismos de daño se refiere. El método de trabajo que se ha seguido para este apartado ha consistido en observar los daños en la capa de 90º de todas las probetas bajo el microscopio óptico, donde el tiempo de análisis por cada probeta ha sido de aproximadamente 2 horas. Durante estas observaciones también se ha analizado los daños existentes entre la capa de 0º y 90º, lo que se conoce como delaminaciones, y si existiese, la rotura de fibras en la capa de 0º. En el apartado correspondiente se explicará en detalle cómo se ha realizado la observación de los daños localizados. 2.1 Equipo utilizado. Para examinar el daño en el borde libre de cada probeta se utilizó un microscopio óptico binocular, modelo EPIPHOT 200, del fabricante Nikon TM junto a una cámara del fabricante Lumenera Corporation TM y un software llamado Perfect Image de Clara Vision TM . Para conservar una imagen clara del daño en todas las probetas después de haberlas ensayado se utilizó el sistema de réplicas RepliSet del fabricante Struers TM . 2.2 Metodología de trabajo y resultados obtenidos. Los estudios previos de este tipo de laminados ante carga cíclica están siendo realizados actualmente por el GERM, tal y como se recoge en [7]. En los siguientes subapartados se procederá a detallar las características de las probetas prístinas y ensayadas, especificando los ciclos de carga a los que han sido sometidas y los tipos de daño que se han localizado. 2.2.1 Características de las probetas prístinas y ensayadas. Como hemos comentado previamente en este documento tenemos dos tipos de probetas bajo estudio. Por un lado, tenemos el laminado [0 4 |90 3 |0 4 ] al que denominaremos CP450 y, por otro lado, el laminado [0 4 |90|0 4 ] al que denominaremos CP30. La nomenclatura de estos laminados se refiere a cross-ply (CP) y el número al gramaje de la capa de 90º (30 g/m 2 en el caso del laminado [0 4 |90|0 4 ] y 3x150 g/m 2 en el caso del laminado [0 4 |90 3 |0 4 ]). La fabricación de las probetas no ha sido parte de este TFG, ya que estas son probetas obtenidas de laminados involucrados en proyectos de investigación que actualmente se están desarrollando en el GERM. Debido a ello, las probetas ya estaban fabricadas, lijadas y pulidas en un borde libre y ensayadas a fatiga bajo las condiciones de ensayo indicadas a continuación. Debido a la gran cantidad de probetas que requerían ser ensayadas a un alto números de ciclos, el ciclado de estas probetas se encargó a la empresa Element Materials Technology Seville, S.L.U. Todas las probetas fueron sometidas a una carga sinusoidal de 5Hz con un ratio de carga de 0.1 (tracción-tracción). El nivel de carga y el número de ciclos aplicados a cada grupo de probetas se indicará posteriormente. La definición de los distintos niveles de carga se ha realizado en función de la fuerza última a tracción que ha resistido cada laminado E Análisis del daño a fatiga en laminados cross-ply 14 El daño que presentan las fibras pertenecientes a las capas de 0º de este bloque de probetas es casi inexistente, tal y como se puede apreciar en la Figura 15. Figura 15: Daño presente en las capas de 0º del bloque CP30 PD1. • Probetas sometidas a 60% de F u a 1.00E+5 ciclos (CP30 PD2): En contraste con los resultados obtenidos en el conjunto de probetas anterior, estas están sometidas a una carga media considerablemente alta y a un número de ciclos elevado. Es por ello por lo que, aunque no se tenga mucha experiencia previa en estos laminados podamos, esperar densidades de daño mayores que en el apartado anterior. Efectivamente, los resultados que se obtienen del análisis del daño en este bloque muestran un considerable aumento en todos los tipos de daño, en el que destacan la gran cantidad de GTD y LD y las pocas delaminaciones que aparecen. Algo sorprendente es la aparición de una gran cantidad de LD con una extensión considerable y con bastante apertura que en un alto porcentaje acaban o empiezan con un GTD o GTDk. En la Figura 16 podemos observar el patrón de daño de este bloque de probetas ensayadas, en el cual se desarrollan una gran cantidad de grietas longitudinales (LD), algunas de ellas de gran tamaño, a lo largo de toda la probeta y una gran cantidad de los GTD y GTDk de las que parten. Figura 16: Fotocomposición de la probeta CP30 PD2_1. Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos 15 Gráfico 3: Daño acumulado de CP30 PD2. El daño que presenta cada una de las probetas de este bloque queda representado de maneta cuantitativa en el Gráfico 3. La cantidad de fibras pertenecientes a las capas de 0º de este bloque aumenta considerablemente respecto al bloque CP30 PD1, tal y como observamos en la Figura 17. Figura 17: Daño presente en las capas de 0º del bloque CP30 PD2. • Probetas sometidas a 60% de F u a 1.00E+6 ciclos (CP30 PD3): Este bloque de probetas está ensayado a la misma carga media que el bloque anterior, sin embargo, está sometido a un número de ciclos superior, por lo que se espera encontrar unas acumulaciones de daño superior al resto de bloques analizados hasta el momento. A la hora de analizar las probetas en el microscopio se observa a simple vista que el patrón de daño es muy similar al bloque anterior de 60% de F u a 1.00E+5 ciclos (CP30 PD2) y esto está respaldado por la similitud en las cantidades de cada tipo de daño transversal. Sin embargo, se pueden apreciar tres detalles que confirman que el daño acumulado es mayor en este caso. En primer lugar, se destaca la aparición de delaminaciones, como en la Figura 18, que en el bloque anterior eran casi inexistentes. El siguiente aspecto diferenciador es que el despegue de la mayoría de las grietas es muy superior al bloque anterior, lo que puede implicar una mayor evolución del daño. En último lugar, se puede apreciar como aparecen cambios de plano en muchas de estos caminos de despegues longitudinales, LD, como se puede apreciar en la Figura 20 donde apreciamos el cambio de plano que provoca los desenfoques y en la Figura 19. La comparativa de este bloque de probetas con el anterior la podemos encontrar en el Gráfico 4 para poder estudiar la manera en la que se ha desarrollado el daño. 0 20 40 60 80 100 120 140 GTD GTDk DT DL LD CP30 PD2_1 CP30 PD2_2 CP30 PD2_3 Análisis del daño a fatiga en laminados cross-ply 16 Gráfico 4: Comparativa del daño entre los bloques CP30 PD2 y CP30 PD3. Figura 18: Ejemplo de delaminación en la probeta CP30 PD3_3. Esto hace llegar a la conclusión, que, llegado a ciertos ciclos, no se sigue iniciando nuevos daños, sino que los existentes evolucionan separando más los LD, lo cual lleva a pensar que se ha propagado haciendo que aparezcan cambios de planos entre las 2 partes separadas de la capa de 90º por los LD existentes. Figura 19: Fotocomposición de la probeta CP30 PD3_1. 0 20 40 60 80 100 120 GTD Media GTDk Media DT Media DL Media LD Media CP30 PD2 CP30 PD3 Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos 17 Figura 20: Ejemplo de grieta horizontal en la que aparece un cambio de plano. Gráfico 5: Daño acumulado en CP30 PD3. En el Gráfico 5 se puede ver en detalle una representación cuantitativa del daño que presentan cada una de las probetas de este bloque CP30 PD3. El número de fibras que se encuentran rotas dentro de las capas de 0º de este bloque es elevado, tal y como se aprecia en la Figura 21, Figura 21: Daño presente en las capas de 0º del bloque CP30 PD3. 0 20 40 60 80 100 120 GTD GTDk DT DL LD CP30 PD3_1 CP30 PD3_2 CP30 PD3_3 18 3 E NSAYO A FLEXIÓN l objetivo de esta sección consiste en la obtención de la rigidez a flexión de todas las probetas ensayadas a fatiga con el fin de poder relacionar su comportamiento a flexión con el daño que presentan y así, corroborar la disminución residual de cada bloque de probetas ensayadas cíclicamente con probetas prístinas. 3.1 Equipo y materiales utilizados Para llevar a cabo la preparación de las probetas previas al ensayo de flexión se han utilizado los siguientes materiales y herramientas: • Pinzas • Lija • Cables • Pines de conexión • Adhesivo Z-70 • Iso-propanol • Cinta adhesiva • Estaño para soldar • Soldador de estaño • Galgas extensométricas • Pie de rey • Medidor de alturas • Gramil • Máquina de ensayos universal • Útiles para flexión en cuatro puntos • Juego de llaves Allen 3.2 Preparación de las probetas Previo al ensayo a flexión, las probetas requieren de cierta preparación para poder obtener las deformaciones mediante una galga extensométrica colocada en la superficie lateral a tracción de la probeta. Para ello, en primer lugar, la cara en la que vaya a ser pegada la galga extensométrica requiere un minucioso lijado. A continuación, se procede a marcar la probeta con el fin de adherir la galga lo más centrada posible y en la dirección longitudinal. Tras una previa limpieza de la zona de trabajo y de las probetas con iso-propanol, llega el paso más delicado de este proceso, en el que empezamos a manipular la galga ya que la mínima contaminación bastaría para que esta no adhiera de la forma correcta a la probeta. Centramos la galga con la ayuda de unas pinzas en las marcas realizadas en el paso anterior y la fijaremos a la probeta de forma provisional con cinta adhesiva para facilitar el pegado de la galga a la probeta. Este pegado se llevará a cabo con el adhesivo Z-70 y aplicando presión sobre E Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos 19 esta durante un minuto tras el cual se podrá retirar la cinta adhesiva. Una vez está la galga adherida a la probeta se preparan los cables, que son estañados y soldados a los pines de las galgas. Tras todo este proceso se comprueba mediante un voltímetro que las conexiones están correctas. 3.3 Preparación de útiles El objetivo de este ensayo consiste en someter a flexión en cuatro puntos todas las probetas hasta su fractura, siguiendo la norma a flexión UNE 14125 – 1999 [2]. Esta norma especifica de manera clara las posiciones de los cuatro rodillos (dos de apoyo y dos de aplicación de carga), el radio de cada rodillo y la velocidad de ensayo, que dependen del material a ensayar y de la geometría de la probeta, tal y como se especifica en la Figura 22, siendo los valores de ensayo finales los de la Tabla 3. Por ello, los útiles de ensayo se tienen que preparar para cada laminado debido a la diferencia de espesores que tienen tal y como observamos en la Figura 23. Figura 22: Esquema de Ensayo a flexión en cuatro puntos [2]. Tabla 3: Valores de los útiles para los ensayos a flexión a 4 puntos. L (mm) L' (mm) R 2 (mm) CP450 84.1 28.1 2 CP30 60.5 21.3 2 Ensayo a flexión 20 20 Figura 23: Útiles del ensayo a flexión con los datos especificados en la tabla [3]. 3.4 Resultados obtenidos Para cada ensayo se genera un archivo .txt en el que se registran la posición de los puntos de aplicación de carga, que es la misma que la de la mordaza superior, el sumatorio de fuerzas aplicadas en estos puntos y las deformaciones que sufre la galga extensométrica para cada instante de tiempo. Con estos tres datos, según la norma, podemos obtener las propiedades mecánicas necesarias que precisamos como la rigidez de la probeta a flexión y la tensión de rotura a flexión; sin embargo, esta norma [2] solamente aplica para materiales homogéneos equivalentes ortótropos en cuya sección únicamente exista una tipología de lámina. Las probetas utilizadas en este trabajo pertenecen a laminados cross-ply, lo que hace que las propiedades del material no sean constantes a lo largo de su sección y no podamos aplicar dicha norma. Para salvar esta cuestión se decide evaluar una constante elástica K que representa la pendiente de la fuerza aplicada por la máquina (F) con respecto al desplazamiento vertical que esta sufre (δ) tal y como se refleja en la Figura 24. Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos 21 Figura 24: Esquema del ensayo a flexión. Tal como especifica la norma UNE 14125 – 1999 [2], la rigidez, E, se ha de calcular entre los valores de 0.0005 y 0.0025 deformaciones, por lo que se sigue el mismo criterio para calcular la constante K. El único inconveniente es que no hay ninguna metodología normalizada para realizar este cálculo, por lo que se decide calcular dicho valor mediante la pendiente de la línea de tendencia entre los valores de 0.0005 y 0.0025 deformaciones. Esta rigidez estructural (K) es, de forma indirecta, una medida del daño interno del material. A mayor daño, menos rigidez se observará, y se pretende analizar si el daño que se introduce en la probeta se materializa macroscópicamente es un comportamiento más flexible del material. Por último, únicamente por interés académico, se obtienen y comparan la rigidez y tensión a flexión de todas las probetas siguiendo la norma UNE 14125 – 1999 [2], con total conciencia de que esto no es un fiel reflejo de la realidad. 3.4.1 Resultados del laminado CP450 Dentro de las probetas fabricadas con el laminado CP450 se han ensayado dos bloques de probetas: • Probetas CP450 PP: Probetas de laminado [0 4 |90 3 |0 4 ] prístinas. • Probetas CP450 PD1: Probetas de laminado [0 4 |90 3 |0 4 ] ensayadas al 60% de F u a 2.00+E6 ciclos. 3.4.1.1 Probetas CP450 PP En este bloque de probetas se han ensayado tres probetas prístinas, CP450 PP_1, CP450 PP_2 y CP450 PP_3. Los resultados de este ensayo, que se muestran en la Tabla 4 y en el Gráfico 6, servirán como referencia para comparar con el bloque de probetas cicladas a fatiga. Tabla 4: Resultados del ensayo a flexión de CP450 PP. E f (GPa) σ f (MPa) K (N/mm) CP450 - PP PP_1 88.761 975.851 129.261 PP_2 88.584 1015.728 128.888 PP_3 99.584 1107.722 147.702 Valores medios 92.310 1033.100 135.28 Desviación 6.3 67.63 10.756 Dispersión 6.83% 6.55% 7.95% Ensayo a flexión 22 22 Gráfico 6: Relación Fuerza – δ del bloque CP450 PP. 3.4.1.2 Probetas CP450 PD1 Este bloque de ensayos está compuesto por tres probetas ensayadas al 60% de F u a 2.00+E6 ciclos (CP450 PD1_1, CP450 PD1_2, CP450 PD1_3). Los resultados de este bloque de ensayos se pueden observar en la Tabla 5 y en el Gráfico 7. Tabla 5: Resultados del ensayo a flexión de CP450 PD1. E f (GPa) σ f (MPa) K (N/mm) CP450 – PD1 PD1_1 88.982 1024.033 116.381 PD1_2 89.501 1039.875 118.658 PD1_3 84.912 998.323 111.699 Valores medios 87.798 1020.743 115.579 Desviación 2.51 20.97 3.55 Dispersión 2.86% 2.05% 3.07% 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 F (N) Uy (mm) PP_1 PP_2 PP_3 MEDIA PP Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos 23 Gráfico 7: Relación Fuerza - δ del bloque CP450 PD1. 3.4.1.3 Comparación del laminado CP450 Los resultados que han sido obtenidos en los dos bloques anteriores por separado no aportan información relevante hasta que no las comparamos entre sí. Gráfico 8: Comparación de resultados del laminado CP450. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 F (N) δ(mm) PD1_1 PD1_2 PD1_3 MEDIA PD1 0 200 400 600 800 1000 1200 012345678910 F (N) Uy (mm) CP450 PP CP450 PD1 Ensayo a flexión 30 30 Gráfico 13: Comparación de resultados medios del laminado CP30. Tabla 11: Resumen de los resultados medios del laminado CP30. Media E f (GPa) σ f (MPa) K (N/mm) CP30 PP 96.151 ± 2.2 1225.388 ± 18.7 149.593 ± 11.9 PD1 80.115 ± 2.9 1007.587 ± 57.9 107.773 ± 9.7 PD2 77.729 ± 2.2 1006.774 ± 5.6 110.228 ± 1.4 PD3 80.131 ± 13.4 1042.756 ± 213.5 99.045 ± 6.9 El Gráfico 13 representan los valores de F respecto a los de δ medios para cada bloque de probetas del laminado CP30. Tal y como observamos en la Tabla 11, el valor de la constante elástica K disminuye en las probetas dañadas respecto a la probeta prístina. Esta disminución respecto a la probeta CP30 PP es de un 27,9%, 26.3% y 33,8% para las probetas CP30 PD1, CP30 PD2 y CP30 PD3 respectivamente. Analizando los valores de rigidez y σ f , que conocemos que no son los valores reales de las probetas, se observa que ambos disminuyen en las probetas dañadas respecto a las prístinas. La disminución respecto a la probeta CP30 PP de la rigidez es de 16,7%, 19,2% y 16,7% para las probetas CP30 PD1, CP30 PD2 y CP30 PD3 respectivamente. La disminución de la σ f respecto a la probeta CP30 PP es de 17.8%, 17,8% y 14.9% para las probetas CP30 PD1, CP30 PD2 y CP30 PD3 respectivamente. 0 200 400 600 800 1000 1200 0123456789 F (N) δ(mm) CP30 PP CP30 PD1 CP30 PD2 CP30 PD3 Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos 31 32 4 M ODELO NUMÉRICO sta parte del proyecto surge del interés por aprender más sobre Método de los Elementos Finitos (MEF) y por obtener resultados adicionales con los que poder comparar el resto de conclusiones recabadas a lo largo de este proyecto. Esta parte supone un reto por poder conseguir un modelo en un programa comercial que implementa el MEF (ANSYS) relativamente sencillo cuyos resultados se asemejen a los obtenidos en los ensayos del laboratorio. Para realizar este apartado se modelan en ANSYS los laminados CP30 y CP450 a los que se le añade una grieta horizontal en la capa de 90º simulando el daño causado por fatiga y se procede a flectar dichos modelos imitando el ensayo realizado en el laboratorio. 4.1 Diseño de los modelos Para este apartado se requiere modelar ambos laminados cross-ply (CP30 y CP450), que están compuestos por una capa de 90º situada entre dos capas de 0º. Para simplificar el diseño de dichos modelos, estos, se llevan a cabo en dos dimensiones de tal manera que el eje que queda sin representación es el ancho de las probetas. Debido a esta manera de trabajar, todos los resultados se han de multiplicar por el ancho de cada probeta para obtener las unidades correctas. Este es el motivo por el cual en el código fuente de ANSYS se define el tipo de elemento PLANE182 con el que se trabaja en todo el capítulo, tal y como observamos en el siguiente fragmento de código. A la hora de caracterizar los modelos, se opta por definir dos tipos de materiales homogéneos con las mismas propiedades (módulo elástico, módulo de cizalladura y coeficiente de Poisson) pero permutadas, de tal manera que un material quede girado 90º respecto al otro, consiguiendo así las propiedades de cada capa en función de su orientación, tal y como queda reflejado en el siguiente fragmento de código. E /PREP7 ET,1,PLANE182 Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos 33 El principal modelo de estudio de este trabajo consiste en insertar una grieta horizontal interna en la capa de 90 tal y como aparece en la Figura 27. Para ello, el diseño de cada modelo se realiza mediante doce rectángulos, tal y como aparecen representados en la Figura 28. Esta manera de crear la geometría del modelo permite facilitar diversos aspectos del modelo. Por un lado, permite definir de manera sencilla qué material corresponde a cada área, siendo las áreas A4-A9 pertenecientes a la capa de 90º y el resto a las capas de 0º. Por otro lado, permite la creación de la grieta de forma directa, forzando la unión de todos los rectángulos con sus áreas colindantes exceptuando las áreas A5 y A8. Figura 27: Modelo con grieta longitudinal. Figura 28: Esquema del diseño del modelo. Las dimensiones que aparecen reflejadas en la Figura 27, como LG, LP, L0 y L90 son los parámetros utilizados para la creación de estos modelos, representando la longitud de la grieta, longitud de la probeta, espesor de la capa de 0º y espesor de la capa de 90º respectivamente. Estos parámetros se utilizan para poder cambiar las dimensiones del modelo de manera sencilla y así poder experimentar con ella. En el siguiente fragmento del código fuente de ANSYS utilizado para este TFG se observan los aspectos mencionados anteriormente, como la definición de parámetros, la creación de los rectángulos y la unión de estos tras un mallado de la geometría definida. !Lámina de 90 (Fibra perpendicular a la pantalla) ! Material 1 MP,EX,1,7740 MP,EY,1,7740 MP,EZ,1,105700 MP,PRXY,1,0.4 MP,PRYZ,1,0.0219678 MP,PRXZ,1,0.0219678 MP,GXY,1,2350 MP,GYZ,1,3280 MP,GXZ,1,3280 !Lámina de 0 (Fibra paralela a la pantalla) !Material 2 MP,EX,2,105700 MP,EY,2,7740 MP,EZ,2,7740 MP,PRXY,2,0.3 MP,PRYZ,2,0.4 MP,PRXZ,2,0.3 MP,GXY,2,3280 MP,GYZ,2,2350 MP,GXZ,2,3280 Modelo numérico 34 34 LG=80 LP=180 L90=0.52 L0=0.68 !Rectángulos [0] rectng,0,(LP-LG)/2,0,L0 rectng,(LP-LG)/2,LG+(LP-LG)/2,0,L0 rectng,LG+(LP-LG)/2,Lp,0,L0 rectng,0,(Lp-LG)/2,(L0)+(2*L90),(2*L0)+(L90) rectng,(LP-LG)/2,LG+(LP-LG)/2,(L0)+(2*L90),(2*L0)+(L90) rectng,LG+(LP-LG)/2,LP,(L0)+(2*L90),(2*L0)+(L90) !Rectángulos [90] rectng,0,(LP-LG)/2,L0,L0+(L90/2) rectng,(LP-LG)/2,LG+(LP-LG)/2,L0,L0+(L90/2) rectng,LG+(LP-LG)/2,LP,L0,L0+(L90/2) rectng,0,(LP-LG)/2,L0+(L90/2),(L0)+(L90) rectng,(LP-LG)/2,LG+(LP-LG)/2,L0+(L90/2),(L0)+(L90) rectng,LG+(LP-LG)/2,LP,L0+(L90/2),(L0)+(L90) AGLUE,1,2,3 AGLUE,4,5,6 AGLUE,7,8,9 AGLUE,10,11,12 SELTOL,0.01 !Definimos una tolerancia de 0.01 ESIZE,0.1 !Definimos un tamaño de mallado de 0.1 Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos 35 El objetivo principal de este apartado del trabajo es el simular un ensayo a flexión en cuatro puntos para los modelos de las probetas con una grieta en su interior y observar su comportamiento. Una solución sencilla para esta simulación del ensayo a flexión en cuatro puntos hubiera sido aplicar dos cargas puntuales en la parte superior de las probetas e imponer un desplazamiento nulo en dos nodos de la parte inferior de la probeta. Sin embargo, se opta simular los rodillos que han sido utilizados en el ensayo a flexión experimental, para que la probeta pueda deslizar sobre ellos y poder obtener unos resultados más cercanos a los mat,1 !Mallamos el material 1 AMESH,10 AMESH,8 AMESH,9 AMESH,7 AMESH,5 AMESH,6 mat,2 !Mallamos el material 2 AMESH,1 AMESH,13 AMESH,14 AMESH,4 AMESH,2 AMESH,3 NSEL,S,LOC,X,0,(LP-LG)/2 NSEL,R,LOC,Y,L0 NUMMERGE,NODE NSEL,S,LOC,X,0,(LP-LG)/2 NSEL,R,LOC,Y,(L0)+(L90/2) NUMMERGE,NODE NSEL,S,LOC,X,0,(LP-LG)/2 NSEL,R,LOC,Y,(L0)+(L90) NUMMERGE,NODE NSEL,S,LOC,X,LG+(LP-LG)/2,LP NSEL,R,LOC,Y,L0 NUMMERGE,NODE NSEL,S,LOC,X,LG+(LP-LG)/2,LP NSEL,R,LOC,Y,(L0)+(L90/2) NUMMERGE,NODE NSEL,S,LOC,X,LG+(LP-LG)/2,LP NSEL,R,LOC,Y,(L0)+(L90) NUMMERGE,NODE NSEL,S,LOC,X,(LP-LG)/2,LG+(LP-LG)/2 NSEL,R,LOC,Y,(L0)+(L90) NUMMERGE,NODE NSEL,S,LOC,X,(LP-LG)/2,LG+(LP-LG)/2 NSEL,R,LOC,Y,L0 NUMMERGE,NODE ALLSEL,ALL Modelo numérico 36 36 experimentales. Para que esto se pueda llevar a cabo se definen dos círculos en la posición que dicta la norma UNE 14125 – 1999 [2] para cada probeta y posteriormente se procede a crear un contacto entre una superficie elástica (la probeta) y una rígida (los rodillos), quedando el modelo tal y como muestra la Figura 29. El modelado de esta condición de contacto, hace que la simulación sea más realista, dado que los grandes desplazamientos durante el ensayo, hace que la posición del contacto entre la probeta y los rodillos cambien de lugar, y la orientación de las reacciones en dichos rodillos cambie de orientación con la normal del contacto. Figura 29: Modelo previo a aplicación de las cargas. En el siguiente fragmento de código se muestra cómo se definen los círculos anteriormente mencionados, como se crea el contacto entre estos y la probeta y como se impone un desplazamiento vertical de 10 mm en los puntos de aplicación de carga que define la norma UNE 14125 – 1999 [2]. CYL4,48,-2,2 !Definición de círculos CYL4,132,-2,2 NSEL,S,LOC,X,90 !Impedimos desplazamientos ux NSEL,R,LOC,Y,(2*L0)+(L90) D,all,ux,0 ALLSEL,ALL D,ALL,UY,-10 !Imponemos uy -10mm NSEL,S,LOC,X,104 NSEL,R,LOC,Y,(2*L0)+(L90) D,ALL,UY,-10 ALLSEL,ALL !CONDICIÓN DE CONTACTO ENTRE MODELO Y RODILLOS CM,_NODECM,NODE CM,_ELEMCM,ELEM CM,_KPCM,KP CM,_LINECM,LINE CM,_AREACM,AREA CM,_VOLUCM,VOLU MP,MU,1,0 MAT,1 R,4 REAL,4 ET,4,169 ET,5,172 KEYOPT,5,9,0 KEYOPT,5,10,0 R,4, RMORE, RMORE,,0 Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos 37 RMORE,0 LSEL,S,,,29 LSEL,A,,,31 CM,_TARGET,LINE TYPE,4 LATT,-1,4,4,-1 TYPE,4 LMESH,ALL LSEL,S,,,1 CM,_CONTACT,LINE TYPE,5 NSLL,S,1 ESLN,S,0 ESURF *SET,_REALID,4 ALLSEL ESEL,ALL ESEL,S,TYPE,,4 ESEL,A,TYPE,,5 ESEL,R,REAL,,4 LSEL,S,REAL,,4 ESEL,ALL ESEL,S,TYPE,,4 ESEL,A,TYPE,,5 ESEL,R,REAL,,4 LSEL,S,REAL,,4 CMSEL,A,_NODECM CMDEL,_NODECM CMSEL,A,_ELEMCM CMDEL,_ELEMCM CMSEL,S,_KPCM CMDEL,_KPCM CMSEL,S,_LINECM CMDEL,_LINECM CMSEL,S,_AREACM CMDEL,_AREACM CMSEL,S,_VOLUCM CMDEL,_VOLUCM CMDEL,_TARGET CMDEL,_CONTACT CM,_NODECM,NODE CM,_ELEMCM,ELEM CM,_KPCM,KP CM,_LINECM,LINE CM,_AREACM,AREA CM,_VOLUCM,VOLU MP,MU,1,0 MAT,1 R,5 REAL,5 ET,6,169 ET,7,172 KEYOPT,7,9,0 KEYOPT,7,10,0 R,5, RMORE, RMORE,,0 RMORE,0 LSEL,S,,,35 Modelo numérico 38 38 Además de esta condición de contacto entre rodillos y probeta, el modelo requiere otra condición de contacto entre las áreas 5 y 8 de la Figura 28 de tal manera que no pueda penetrar una en la otra al imponerle los desplazamientos verticales. Ni esta condición de contacto ni la anterior tienen fricción incluidas, aunque no sería de gran complejidad introducirlas. Esta condición de contacto se puede observar en el siguiente fragmento de código. LSEL,A,,,36 CM,_TARGET,LINE TYPE,6 LATT,-1,5,6,-1 TYPE,6 LMESH,ALL LSEL,S,,,51 CM,_CONTACT,LINE TYPE,7 NSLL,S,1 ESLN,S,0 ESURF *SET,_REALID,5 ALLSEL ESEL,ALL ESEL,S,TYPE,,6 ESEL,A,TYPE,,7 ESEL,R,REAL,,5 LSEL,S,REAL,,5 ESEL,ALL ESEL,S,TYPE,,6 ESEL,A,TYPE,,7 ESEL,R,REAL,,5 LSEL,S,REAL,,5 CMSEL,A,_NODECM CMDEL,_NODECM CMSEL,A,_ELEMCM CMDEL,_ELEMCM CMSEL,S,_KPCM CMDEL,_KPCM CMSEL,S,_LINECM CMDEL,_LINECM CMSEL,S,_AREACM CMDEL,_AREACM CMSEL,S,_VOLUCM CMDEL,_VOLUCM CMDEL,_TARGET CMDEL,_CONTACT !FIN CONDICIÓN DE CONTACTO RODILLOS Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos 39 !CONDICIÓN DE CONTACTO DE LA GRIETA INTERNA CM,_NODECM,NODE CM,_ELEMCM,ELEM CM,_KPCM,KP CM,_LINECM,LINE CM,_AREACM,AREA CM,_VOLUCM,VOLU /GSAV,cwz,gsav,,temp MP,MU,1, MAT,1 MP,EMIS,1,7.88860905221e-031 R,3 REAL,3 ET,2,169 ET,3,172 R,3,,,1.0,0.1,0, RMORE,,,1.0E20,0.0,1.0, RMORE,0.0,0,1.0,,1.0,0.5 RMORE,0,1.0,1.0,0.0,,1.0 RMORE,,,,,,1.0 KEYOPT,3,3,0 KEYOPT,3,4,0 KEYOPT,3,5,0 KEYOPT,3,7,0 KEYOPT,3,8,0 KEYOPT,3,9,1 KEYOPT,3,10,0 KEYOPT,3,11,0 KEYOPT,3,12,0 KEYOPT,3,14,0 KEYOPT,3,18,0 KEYOPT,3,2,0 LSEL,S,,,20 CM,_TARGET,LINE TYPE,2 NSLL,S,1 ESLN,S,0 ESURF CMSEL,S,_ELEMCM LSEL,S,,,12 CM,_CONTACT,LINE TYPE,3 NSLL,S,1 ESLN,S,0 ESURF ALLSEL ESEL,ALL ESEL,S,TYPE,,2 ESEL,A,TYPE,,3 ESEL,R,REAL,,3 /PSYMB,ESYS,1 /PNUM,TYPE,1 /NUM,1 EPLOT 46 5 C ONCLUSIONES Y ESTUDIOS FUTUROS lo largo de este capítulo se hará un resumen de los resultados obtenidos durante el proyecto y se explicarán detalladamente las conclusiones a las que se han llegado con el objetivo de dar pie a desarrollar futuros nuevos estudios sobre este tipo de laminado ultra-thin. 5.1 Comparación de resultados y conclusiones Para poder realizar un estudio del comportamiento a flexión de los laminados CP450 y CP30 en función del daño a fatiga que presentan, el primer paso a seguir es determinar el daño presente en cada probeta, principal objetivo del capítulo 2 de este proyecto. Tras su correspondiente análisis se determina que para el laminado CP450, las probetas PP presentan un daño nulo, mientras que las probetas PD1 presentan un daño considerable. En el caso del laminado CP30, las probetas PP presentan también un daño nulo, mientras que el resto de probetas no, siendo las PD1 las que presentan un menor daño aparente y las PD3 las que más daño aparente tienen, tal y como se puede observar en el Gráfico 18. Gráfico 18: Comparativa del daño medio de cada bloque del laminado CP30. Una vez se conoce el daño a fatiga que presenta cada uno de los bloques de probetas ensayados, se procede a comparar los resultados obtenidos de los ensayos a flexión del capítulo 3. Tal y como se puede observar en la Tabla 12, para el laminado CP450 los valores tanto de la K como de la E f disminuyen un 5% y un 0.9% respectivamente en el caso de las probetas dañadas respecto a las prístinas, sin embargo, el valor nominal de la σ f aumenta un 3.7%. Este fenómeno se opone a los resultados esperados, pudiendo tener una explicación en la desviación de cada dato, ya que existe un rango de valores para los que la σ f de las probetas PP es mayor que las probetas PD1. Los resultados esperados para las probetas del laminado CP30 consisten en una disminución de la K, E f y σ f a medida que el daño a fatiga aumenta. Tal y como se muestra en la Tabla 12, esta estimación se cumple para todos los valores nominales exceptuando la E f de CP30 PD3, la σ f de CP30 PD3 y K de CP30 PD2, que al igual que en el laminado anterior, debido a la desviación que presentan, existe un rango de valores para los que sí cumplen las expectativas. 0 20 40 60 80 100 120 140 I-CD GTD GTDk DT DL LD CP30 PD1 CP30 PD2 CP30 PD3 A Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos 47 Tabla 12: Comparación de los resultados del ensayo a flexión de los laminados CP450 y CP30. Media E f (GPa) σ f (MPa) K (N/mm) CP450 PP 92.31 ± 6.3 1033.1 ± 67.63 135.28 ± 10.8 PD1 87.798 ± 2.5 1020.743 ± 21.0 115.579 ± 3.5 CP30 PP 96.151 ± 2.2 1225.388 ± 18.7 149.593 ± 11.9 PD1 80.115 ± 2.9 1007.587 ± 57.9 107.773 ± 9.7 PD2 77.729 ± 2.2 1006.774 ± 5.6 110.228 ± 1.4 PD3 80.131 ± 13.4 1042.756 ± 213.5 99.045 ± 6.9 A la hora de comparar los resultados entre ambos laminados hemos de destacar en primer lugar la diferencia obtenida entre las probetas prístinas de ambos laminados, ya que tanto los valores de E, K y σ son un 4.1%, 10.6% y 18.6% superiores en el laminado CP30 respectivamente. Por otro lado, el bloque de probetas CP450 PD1 que está ensayado a 2.00E+4 ciclos a un 60% de F u es de gran interés compararlo con el bloque CP30 PD2 que está ensayado a 1.00E+5 ciclos a un 60% de F u . Tal y como muestran las tablas 5 y 9 ambos bloques presentan probetas con valores de K, E y σ f muy similares, sabiendo que el bloque CP30 PD2 está ensayado con un total de 5 veces más ciclos que el CP450 PD1. En el Gráfico 19 podemos ver de manera representativa una comparación de la media de cada bloque de ensayo a flexión, en la que se observa con claridad como el bloque CP30 PP es con diferencia la que más K tiene, seguido de CP450 PP y CP450 PD1. Gráfico 19: Comparación de las curvas F-δ de todas las probetas ensayadas. 0 200 400 600 800 1000 1200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 F (N) Uy (mm) CP450 PP CP450 PD1 CP30 PP CP30 PD1 CP30 PD2 CP30 PD3 Conclusiones y estudios futuros 48 48 Por último, una vez se conocen los resultados obtenidos de los ensayos a flexión, se procede a compararlos con los resultados sacados de los modelos numéricos. En primer lugar, para el laminado CP450, tal y como muestra el Gráfico 20, las curvas F- δ de los modelos marcan los límites superior e inferior en los que podemos encontrar curvas experimentales. Estas curvas experimentales se encuentran más cerca de un límite u otro dependiendo del daño previo a fatiga que presente cada probeta, siendo las que tienen más pendiente (K) las que presentan menos daño. Gráfico 20: Comparación de las curvas F- δ de las probetas ensayadas y los modelos del laminado CP450. Como se observa en el Gráfico 21, esto mismo también ocurre con las probetas pertenecientes al laminado CP30. Aquí podemos observar como las curvas de los modelos delimitan la zona en la que podemos encontrar curvas experimentales, que a medida que presentan más daño, pierden pendiente. Cabe destacar de este caso como las curvas de las probetas prístinas del caso experimental y del modelo son muy similares. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 2 4 6 8 10 12 F [N] δ [mm] PRÍSTINAS MODELO PRÍSTINAS EXPERIMENTAL PD1 EXPERIMENTAL DAÑO MÁXIMO MODELO Ensayos a flexión en laminados [0/90n]s en función del espesor de la lámina de 90º usando láminas ultradelgadas tras ensayos cíclicos 49 Gráfico 21: Comparación de las curvas F-δ de las probetas ensayadas y los modelos del laminado CP30. A raíz de estos resultados, se llega a las siguientes conclusiones: • En las probetas pertenecientes al laminado CP30, llegados a ciertos ciclos de fatiga, no se sigue iniciando nuevos daños, sino que los existentes evolucionan separando más los LD, lo cual lleva a pensar que se ha propagado haciendo que aparezcan cambios de plano entre las dos partes separadas de la capa de 90º por los LD existentes. • Las probetas prístinas pertenecientes al laminado CP30 son más resistentes y rígidas a flexión que las pertenecientes al laminado CP450 pese a tener un espesor mucho menor. • En lo referente a la comparación entre ambos laminados se puede afirmar que el daño a fatiga afecta menos en el laminado CP30 que en el CP450. 5.2 Estudios futuros Aunque el análisis realizado en este TFG sea bastante concreto y cerrado siempre existen maneras de mejorar y ampliar estos estudios. Una de las principales vías por las que se puede seguir desarrollando este trabajo es el estudio de laminados intermedios entre el CP30 y el CP450. En este proyecto se han analizado laminados muy extremos, por un lado, el CP450, que es un laminado convencional y relativamente grueso, y por otro, el CP30, que es un laminado con un espesor bastante pequeño. Es por esto por lo que sería de gran interés ver el comportamiento de laminados con espesores intermedios. Otra de las líneas de estudio para ampliar el TFG, es el estudio mediante modelos numéricos en 3 dimensiones, con el fin de observar el comportamiento de las probetas en función de la profundidad de las grietas existentes. 0 200 400 600 800 1000 1200 0 2 4 6 8 10 12 F [N] δ [mm] PRÍSTINAS MODELO PRÍSTINAS EXPERIMENTAL PD2 EXPERIMENTAL PD1 EXPERIMENTAL PD3 EXPERIMENTAL DAÑO MÁXIMO MODELO Conclusiones y estudios futuros 50 50 En este trabajo solo se analiza el problema asumiendo que el daño existente en un extremo de la probeta ha progresado a todo el ancho de la misma y sería de enorme interés observar el comportamiento de estas probetas a flexión en función de la penetración de dichas grietas. 51 R EFERENCIAS [1] F. París, J. Cañas, J.C. Marín y A. Barroso, "Introducción al análisis y diseño con materiales compuestos," Sección de publicaciones de la Universidad de Sevilla. Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales. [2] Compuestos plásticos reforzados con fibras. Determinación de las propiedades de flexión, UNE- EN ISO 14125:1998, Septiembre 1999. [3] S. W. Tsai, "Thin Ply Composites", Standford University, Standford, 2005. [4] S. Sihn, R. Y. Kim, K. Kawabe y S. W. Tai, "Experimental studies of thinply laminated composites", University of Dayton, 2006. [5] B. Mohammadi, "Fatigue driven matrix crack propagation on laminated composites", Iran University of Science and Technology, Tehran, 2018. [6] K. Tohgo, S. NakagawaA and H. Araki, "Damage behavior and Life Prediction in CFRP Cross- Ply", Department of Mechanical Engineering, Shizuoka University, Japan. [7] R. Prieto-García, S. Sánchez Carmona, E. Correa Montoto y F. París. "Tipología de daños observados ante carga cíclica en laminados cross-ply con lámina de 90º ultradelgada de 30g/m 2 ", XIV Congreso Nacional de Materiales Compuestos- MATCOMP21, 21-23 junio 2022. Disponible: https://www.researchgate.net/publication/361912606 [8] M. L. Velasco, "A fully physically based explanation of the scale effect in composites" , Ph.D. Thesis, Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales de la Universidad de Sevilla, 2021. [9] E. J. Barbero, " Introduction to Composite Material Design", Segunda edición, Boca Raton: CRC Press/Taylor and Francis, 2011. ISBN: 978-1-4200-7915-9. [10] L. P. Kollar y G. S. Springer, "Mechanics of Composite Structures," Cambridge University Press, 2009.