Post on 23-Jan-2020
UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
COMPORTAMIENTO DE COMPONENTES ESTRUCTURALES BAJO CARGAS IMPULSIVAS
Departamento de Mecánica de Medios Continuosy Teoría de Estructuras
ÍNDICE
1. Introducción
2. Clasificación de los ensayos
3. Necesidad de los ensayos dinámicos
4. Ensayos a velocidades de deformación medias
5. Ensayos a altas velocidades de deformación
6. Ensayos de tolerancia al daño
ÍndiceÍndice
1. Introducción
2. Clasificación de los ensayos
3. Necesidad de los ensayos dinámicos
4. Ensayos a velocidades de deformación medias
5. Ensayos a altas velocidades de deformación
6. Ensayos de tolerancia al daño
E1, E2, E3
G12, G13, G23
ν12, ν13, ν23
Materiales compuestos de tipo laminadoMateriales compuestos de tipo laminado
Propiedades elásticas
X, Y, Z
X’, Y’, Z’
S12, S13, S23
Propiedades resistentes
INTRODUCCIÓN
Anisotropía Fragilidad Fenómenosde daño complejos
INTRODUCCIÓN
Características distintivas de los ensayos sobre materiales compuestosCaracterísticas distintivas de los ensayos sobre materiales compuestos
Lámina
Laminado
Elementos estructurales
Subcomponentesestructurales
Componentesestructurales
Estructurascompletas
Constituyentes
Niveles de complejidadNiveles de complejidad
INTRODUCCIÓN
Lámina
Laminado
Elementos estructurales
Subcomponentesestructurales
Componentesestructurales
Estructurascompletas
Constituyentes
Ensayos de caracterización
Niveles de complejidadNiveles de complejidad
INTRODUCCIÓN
Laminado
Importancia de los ensayosImportancia de los ensayos
INTRODUCCIÓN
Lámina
Laminado
Elementos estructurales
Subcomponentesestructurales
Componentesestructurales
Estructurascompletas
Constituyentes
Laminado
• Desarrollo de nuevos materiales• Control de calidad• Análisis de fallos en servicio
1. Introducción
2. Clasificación de los ensayos
3. Necesidad de los ensayos dinámicos
4. Ensayos a velocidades de deformación medias
5. Ensayos a altas velocidades de deformación
6. Ensayos de tolerancia al daño
ÍndiceÍndice
CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS
Tracción
Compresión
Cortadura plana
Cortadura interlaminar
CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS
En función del modo de cargaEn función del modo de carga
CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS
Flexión
Ensayos multiaxiales
Ensayos de fractura
En función del modo de cargaEn función del modo de carga
En función de la velocidad de deformaciónEn función de la velocidad de deformación
La respuesta es localSe emplean dispositivos pirotécnicos
Ensayos a muy altas velocidades
Aparecen fenómenos de propagación de ondasSe emplean dispositivos como la barra Hopkinson, cañon de gas
Ensayos a altas velocidades
En algunos casos es posible usar las fórmulas de resistencia de materialesLa respuesta de la estructura es globalSe realizan en equipos como el péndulo Charpy o la torre de caída de peso
Ensayos a velocidades medias
Se pueden emplear fórmulas de Resistencia de MaterialesSe realizan, en general, en máquinas universales de ensayo
Ensayos estáticos
ObservacionesEnsayos
11 s10 −−<εo
121 s1010 −− <ε<o
142 s1010 −<ε<o
14 s10 −>εo
o
ε
CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS
CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS
En función de la velocidad de deformaciónEn función de la velocidad de deformación
Cañón de gas
Barra Hopkinson
Péndulo Charpy
Torre de caída de peso
Máquina Servohidráulica de alta velocidad
Máquina Servohidráulica
Máquina Electromecánica
Velocidad de deformación (s1)
10-2 10-1 1 10 102 103 104 105
10-2 10-4 10-61Tiempo de duración del ensayo (s)
1. Introducción
2. Clasificación de los ensayos
3. Necesidad de los ensayos dinámicos
4. Ensayos a velocidades de deformación medias
5. Ensayos a altas velocidades de deformación
6. Ensayos de tolerancia al daño
ÍndiceÍndice
NECESIDAD DE LOS ENSAYOS DINÁMICOS
Características distintivas de los ensayos dinámicosCaracterísticas distintivas de los ensayos dinámicos
Necesidad de tener en cuenta efectos inerciales en el estudio
Mayor complejidad mecánica de los dispositivos
Mayores niveles de ruido en la señal registrada
Dificultad para interpretar los datos
Ausencia de normativa
NECESIDAD DE LOS ENSAYOS DINÁMICOS
Los ensayos dinámicos son más complejos de realizar que los estáticos
NECESIDAD DE LOS ENSAYOS DINÁMICOS
Influencia de la velocidad de aplicación de la carga en las propiedades mecánicasInfluencia de la velocidad de aplicación de la carga en las propiedades mecánicas
1. Introducción
2. Clasificación de los ensayos
3. Necesidad de los ensayos dinámicos
4. Ensayos a velocidades de deformación medias
5. Ensayos a altas velocidades de deformación
6. Ensayos de tolerancia al daño
ÍndiceÍndice
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
Péndulo Charpy
Tipos de ensayos
- Flexión
- Tracción
Torre de caída de peso
Tipos de ensayos
- Flexión
- Tracción
- Flexión biaxial
Dispositivos empleadosDispositivos empleados
(probeta con entalla)IzodCharpy
3 puntos (probeta sin entalla)
Péndulo CharpyPéndulo Charpy
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
Martillo
Probeta
θo ( )oo cos1Lh θ−⋅=
Vo
Instrumentación
Péndulo CharpyPéndulo Charpy
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
Detalle del martillo y el dispositivo de apoyoPéndulo Charpy
Apoyos
Instrumentación
Péndulo CharpyPéndulo Charpy
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
Tiempo
Fuer
za
Percutor instrumentadoMedida fuerza
No se suele realizar de forma directaMedida desplazamiento
Se calcula por integración del registro fuerza-tiempo
Torre de caída de pesoTorre de caída de peso
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
ho
Vo
Percutor
Probeta
Medidor de velocidad
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
Util de flexión en tres puntos
Torre de caídaTorre de caída
Util de flexiónbiaxial
Tiempo
Fuer
zaTorre de caída de pesoTorre de caída de peso
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
Percutor instrumentado Extensómetros•LVDT•Ópticos
Tiempo
Desp
lazam
iento
Medida fuerza Medida Desplazamiento
También se calcula por integración del registro fuerza-tiempo
PROPIEDADES:• Resistencia mecánica a flexión• Energía absorbida hasta rotura• Estimación de la rigidez a flexión
GEOMETRÍA DE PROBETAS
Ensayo de flexiónEnsayo de flexión
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
ConfiguraciónCharpy/3-puntos
Configuración Izod
L/h > 32, 40, 60
h
Fuer
za
Desplazamiento
Tiempo
Ener
gía
Integración
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
Péndulo Charpy
V0
Fa
m·g
x
Tiempo
Fuer
zaEnsayo de flexión Interpretación de resultadosEnsayo de flexión Interpretación de resultados
∫−=t
00 dt)t(av)t(v
dtdt)t(av)t(xt
0
t
00∫ ∫ ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
∫ ∫ ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
t
0
t
00 dtdt)t(av)t(F)t(E
m)t(F)t(a =
Tiempo
Fuer
za
Fuer
za
Desplazamiento
Tiempo
Ener
gía
Integración
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
Torre de caída de peso
m·g
F
a
x
V0a
Ensayo de flexión Interpretación de resultadosEnsayo de flexión Interpretación de resultados
mgm)t(F)t(a ⋅−
=
∫−=t
00 dt)t(av)t(v
dtdt)t(av)t(xt
0
t
00∫ ∫ ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
∫ ∫ ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
t
0
t
00 dtdt)t(av)t(F)t(E
0
200
400
600
800
1000
1200
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012
20ºc -60ºc -150ºC
Forc
e (N
)
Displacement at mid-span point (m)
0
1
2
3
4
5
6
7
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005
20ºC -60ºC -150ºC
Abso
rbed
ene
rgy
(J)
Time (s)
Ensayo de flexión sobre laminado unidireccional carbono/epoxi
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
Ensayo de flexión EjemploEnsayo de flexión Ejemplo
• ASTM D256-81. Test for Impact Resistance of Plastic and Electrica Insulatin Materials
• ASTM D5420-98ª. Standard Test Method for Impact Resistance of Flat, Rigid Plastic Specimen by means of a Striker Impacted by Falling Weight.
• ISO 180:2000. Plastic-Determination of Izod Impact Strength
• ISO 179-2000. Plastic- Determination of Charpy impact properties
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
No existe normativa específica. Se puede emplear la existente para materiales poliméricos
Ensayo de flexión NormativaEnsayo de flexión Normativa
PROPIEDADES:
• Energía absorbida hasta rotura
GEOMETRÍA DE PROBETAS
Ensayo de flexión biaxialEnsayo de flexión biaxial
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
aa
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
Integración
Tiempo
Fuer
za
Tiempo
Ener
gía
Ensayo de flexión biaxial Interpretación de resultadosEnsayo de flexión biaxial Interpretación de resultados
dtdt)t(av)t(xt
0
t
00∫ ∫ ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
∫ ∫ ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
t
0
t
00 dtdt)t(av)t(F)t(E
mgm)t(F)t(a ⋅−
=
∫−=t
00 dt)t(av)t(v
Ensayo de flexión biaxial Interpretación de resultadosEnsayo de flexión biaxial Interpretación de resultados
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
• Rebote perfectamente elástico del material
τ0 = Emáx Emáx > E* = 0
• El percutor produce daño en el laminado
τ0 = Emáx Emáx > E* > 0
• El percutor perfora el laminado
τ0 = Emáx Emáx = E*
Energía perdida debida a los
fenómenos de rotura
Energía recuperada debida al
comportamiento elástico
Tiempo
En
ergí
a Emáx
E*
t*
En t = t* finaliza el contacto probeta-percutor Emáx depende de la energía cinética del percutor (τ0).
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
Laminado 0/90
Tejido
Ensayo de flexión biaxial EjemploEnsayo de flexión biaxial Ejemplo
Laminado carbono-epoxi
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 1 2 3 4 5 6 7ENERGIA DE IMPACTO (J)
ENER
GIA
AB
SOR
BID
A (J
)
20ºC
-60ºC
-150ºC
Laminado [0/90]3S
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
Ensayo de tracciónEnsayo de tracción
Ensayo de tracciónEnsayo de tracción
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
PROPIEDADES:
• Resistencia mecánica• Deformación a rotura
GEOMETRÍA DE PROBETAS
Ensayo de tracciónEnsayo de tracción
ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN
Tiempo
Fuer
za
Integración
Fuer
za
Desplazamiento
1. Introducción
2. Clasificación de los ensayos
3. Necesidad de los ensayos dinámicos
4. Ensayos a velocidades de deformación medias
5. Ensayos a altas velocidades de deformación
6. Ensayos de tolerancia al daño
ÍndiceÍndice
ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN
ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN
Barra Hopkinson/ Máquina Universal de ensayos
Tipos de ensayos
- Tracción
- Compresión
- Cortadura
- Flexión
Cañón de gas
Tipos de ensayos
- Ensayos balísticos
Dispositivos empleadosDispositivos empleados
ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN
Barra Hopkinson (Tracción)Barra Hopkinson (Tracción)
Barraincidente
Barra transmisora
Utilesde
amarre
Probeta
εiεt
εr
ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN
Barra Hopkinson (Tracción)Barra Hopkinson (Tracción)
PROPIEDADES:
• Resistencia mecánica• Deformación a rotura
GEOMETRÍA DE PROBETASFUENTE DE C.C.
ACONDICIONADOR DE SEÑAL
OSCILOSCOPIO ORDEDADOR
Barra incidenteBarra transmisora
Puente de bandasextensométricas
Probeta instrumentada
Puente de bandasextensométricas
ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN
Ensayo de tracción Interpretación de resultados Ensayo de tracción Interpretación de resultados
Medida de la tensión
Se calcula mediante la teoría de propagación de ondas elásticas unidimensionales
Registro de deformaciones en las barras
( )p
tbb
AtEA)t( ε⋅⋅
=σ
Medida de la deformación
• Medida directa a través de galgas extensométricas colocadas sobre la probeta
• Cálculo de la teoría de ondas
( ) ( ) τ⋅τε=εε⋅⋅
=ε ∫ d)(tL
tc2)t(t
0pp
p
rp &&
Barra Hopkinson (Flexión)Barra Hopkinson (Flexión)
Bandas Extensométricas
Proyectil Amortiguador
Útil Apoyo
Probeta
Barra Incidente
Cámara
ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN
Barra Hopkinson (Flexión)Barra Hopkinson (Flexión)
Medida de la fuerza
Se calcula mediante la teoría de propagación de ondas elásticas unidimensionales
Registro de deformaciones en la barra incidente
( )tEA)t(F tbb ε⋅⋅=
•Extensómetros ópticos•Cámaras de alta velocidad
Medida Desplazamiento
Fuer
zaDesplazamiento
ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN
Cañón
PROPIEDADES:
• Límite balístico• Profundidad de penetración
GEOMETRÍA DE LAS PROBETAS
aa
Medidoresde velocidad
Probeta
Cámaras
Cañón de gas Ensayos balísticosCañón de gas Ensayos balísticos
ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN
Ensayos balísticosEnsayos balísticos
Vimpacto
Vresidual
Límite balístico
Energía cinética inicial (J)E
nerg
ía c
inét
ica
resi
dual
(J)
Ensayo balístico sobretejido polietileno/vinilester
TejidoLaminado cuasi-isótropo
Laminado carbono/epoxi
•Temperatura: -60º C
•Velocidad: 1530 km/h
•Energía: 156 J
Ensayos balísticos EjemploEnsayos balísticos Ejemplo
ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN
1. Introducción
2. Clasificación de los ensayos
3. Necesidad de los ensayos dinámicos
4. Ensayos a velocidades de deformación medias
5. Ensayos a altas velocidades de deformación
6. Ensayos de tolerancia al daño
ÍndiceÍndice
NECESIDAD DE LOS ENSAYOS DINÁMICOS
ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO
Ensayos de generación dedaño
Ensayos biaxiales
Ensayos balísticosEnsayos en torrede caída de peso
Fases del ensayoFases del ensayo
Ensayos de evaluación de daño
Ensayos no destructivos
Ensayos de resistencia residual
Análisis C-ScanEnsayo de compresión
después de impacto
Un impacto de baja energía no produce, generalmente, la rotura del laminado. El material todavía retiene la capacidad de soportar cierta carga, a pesar de haber sufrido un cierto daño, sea interno o superficial.
ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO
Ensayos de generación de dañoEnsayos de generación de daño
Impacto
Deslaminación
ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO
La capacidad de resistencia de un material dañado puede medirse ensayando bajo cualquier estado de carga: Tracción, compresión, flexión o fatiga.
Ensayos de resistencia residualEnsayos de resistencia residual
Energía de impacto (J) Energía de impacto (J)
Res
iste
ncia
res
idua
l (M
Pa)
Res
iste
ncia
res
idua
l (M
Pa)
ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO
Ensayo CAIEnsayo CAI
La compresión es el estado más desfavorable
Ensayo de compresión después de impacto( CAI: Compresion After Impact )
P
P
Resistencia a compresión en función de la energía de impacto
ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO
Ensayo CAIEnsayo CAI
No visible Visibleen lado opuesto
Visible
Energía de impacto
Resistencia a compresión
BVD
ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO
Placasuperior
Probeta
Soporte
PROPIEDADES QUE SE MIDEN:
• Resistencia residual a compresión
GEOMETRÍA DE LAS PROBETAS
Método CAI NASA Reference Publication 1092
254-317 mm
178 mm
Ensayo CAIEnsayo CAI
Ensayo CAI NormativaEnsayo CAI Normativa
ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO
• NASA Reference publication 1092. Standard test for
toughened resin composites
• Boeing Standard Specifcation BSS7260, 1982
• DERA TR88021, ( CRAG method), 1988
Métodos de ensayo muy similares
• Geometría de probeta
• Ensayo de impacto
Sjöblom y Hwang (1989)
ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO
Ensayo CAIEnsayo CAI
Tiempo (ms)
Tiempo (ms)
Fuer
za (k
N)En
ergía
deim
pacto
(J)
Ensayo CAI sobre tejido vidrio/epoxi
Ensayo biaxial de daño a 5J Ensayo CAI
Energía de impacto (J)R
esis
tenc
ia n
orm
aliz
ada
a co
mpr
esió
n
ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO
Ensayo CAI EjemploEnsayo CAI Ejemplo