INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES COMPUESTOS Y SU MODELAMIENTO Introduction to Composite Mateirals and their Modeling

Oscar Gerardo Castro Ardila

Escuela de Ingeniería Mecánica

Elementos Finitos aplicados a Estructuras Aeronáuticas

Febrero de 2013

Conceptos básicos de materiales compuestos Basic concepts about composite materials

¿Qué son los materiales compuestos?

Un material compuesto es un sistema material formado por dos o más macroconstituyentes que difieren en forma y composición química, y son insolubles entre sí.

Composición de la madera Interface fibras-resina

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¿Qué son los materiales compuestos?

Matriz + uno o más materiales de refuerzo

Vidrio cerámicos reforzado

con monofilamentos de

carburo de silicio

Lamina epoxi reforzada con

fibra de carbono

Aluminio reforzado con

partículas de carburo de silicio

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• Matriz: Es la fase continua. Su propósito es transmitir las cargas y

proteger al compuesto del ambiente.

• Material de refuerzo: Es la fase dispersa. Su propósito es mejorar las propiedades de la matriz, aportando rigidez y/o resistencia.

Matrices

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Matrices

Polimérica

Termoestables

(Epoxi, Poliéster)

Termoplásticos

(Poliestireno, Nailon)

Metálica

Aleaciones

(Aceros, Aluminios)

Cerámica

Vidrio

Cerámicos

(Semiconductores, cermets)

Cementos

Carbón y grafito

Materiales de refuerzo

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Refuerzos

Fibras

Cortas

Largas

Capas

Hilos

Orgánicas

Inorgánicas

Monocristales Láminas Hojuelas Rellenados Partículas Microesferas

Organización estructural del compuesto: variables de diseño

Concentración Tamaño Forma

Distribución Orientación

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Compuestos

Reforzados con partículas

Partículas largas

Partículas altamente dispersas

Reforzados con fibras

Continuas Discontinuas

(Cortas)

Alineadas

Orientadas aleatoriamente

Estructurales

Láminas

Paneles tipo sándwich

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Clases de compuestos

Ventajas

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Las principales propiedades de interés ingenieril que se mejoran con estos materiales son:

• Resistencia mecánica • Rigidez • Resistencia a la corrosión • Resistencia al desgaste • Ligereza • Resistencia a la fatiga • Aislamiento térmico y acústico • Diseño artístico

Fibras de carbono y de

vidrio

Ventajas

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Comparación de las propiedades mecánica de los

materiales compuestos y de otros materiales

Ventajas

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Comparación de las propiedades mecánica de los

materiales compuestos y de otros materiales

Desventajas

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Las principales desventajas de estos materiales son:

• Poco amigables con el ambiente • Baja reciclabilidad • Costo fluctuante • Pueden ser frágiles • Propiedades anisótropas • Degradación de la matriz • Baja reutilización

Aplicaciones

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Modelamiento de materiales compuestos con elementos finitos Finite element modeling of composites

Técnicas de modelamiento para compuestos

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Modelamiento microscópico

• La matriz y el material de refuerzo son modelados por separado como un continuo deformable.

Modelamiento macroscópico

• El compuesto es modelado como un solo material ortótropo o un solo material completamente anisótropo.

Modelamiento mixto

• El compuesto es modelado como un número discreto de capas reforzadas modeladas macroscópicamente.

Modelamiento del refuerzo discreto

• Modelado del refuerzo con elementos discretos u otras herramientas de modelamiento (ej. rebar)

Submodelamiento

• Útil para estudios sobre concentraciones de esfuerzos alrededor de las puntas de las fibras de refuerzo.

Los compuestos pueden ser modelados como:

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• Shells con capas, sólidos con capas

• Elementos sólidos apilados

• Shells continuos apilados o en capas

Modelamiento de daños

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• Daño progresivo y falla. Predicción de los modos de falla para la matriz y las fibras Criterio Hashin UMAT (Abaqus/estandar) VUMAT (Abaqus/explícito)

• Delaminación. Separación de la interface resina-fibra de los compuestos laminados. • Técnica Virtual Cercana a la Grieta

(VCCT) • Elementos cohesivos • Contacto cohesivo