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Tesis:

Accurate damping determination in composite structures and its application for SHM

  • Autor: BAUTISTA JUZGADO, Víctor

  • Título: Accurate damping determination in composite structures and its application for SHM

  • Fecha: 2024

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO

  • Departamentos: MATERIALES Y PRODUCCION AEROESPACIAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/79816/

  • Director/a 1º: FERNÁNDEZ LÓPEZ, Antonio

  • Resumen: El amortiguamiento en estructuras de material compuesto es un parámetro crucial en la respuesta dinámica y que, por norma general, no es conocido de antemano. Establecer métodos fiables y precisos para su conocimiento es un objetivo muy deseable para el desarrollo de dicho tipo de estructuras. Normalmente se suele usar la experiencia o la herencia de proyectos previos. Sin embargo, esto es no es en muchos casos de directa aplicación. Además, los ensayos para determinar el amortiguamiento de estructuras también suelen ser costosos y complicados. El uso de aproximaciones más sencillas, rápidas y económicas es un deseo general de la industria. Hay muchos sectores de aplicación, desde el aeronáutico, el espacial o la energía eólica, pasando por la automoción. En este sentido las técnicas basadas en ondas de Lamb ofrecen una alternativa prometedora para determinar el amortiguamiento de forma rápida y asequible. El objetivo principal de la tesis es la búsqueda de métodos basados en ondas de Lamb para determinar el amortiguamiento en estructuras de material compuesto. Estos métodos pueden suponer un importante ahorro en tiempo y coste comparados con métodos tradicionales (ensayos dinámicos, por ejemplo). Se trata de una técnica rápida en cuanto a la medición y poco invasiva en cuanto a la instrumentación. El mayor reto estriba en que las mediciones son a muy alta frecuencia comparada con los ensayos tradicionales, así como la interpretación física de los fenómenos. Para ello se ha hecho una revisión exhaustiva del estado del arte sobre el amortiguamiento en composites así como la revisión de la teoría de Lamb aplicada a nuestro caso. Se han elaborado simulaciones numéricas con modelos de elementos finitos para tener una predicción de los posibles resultados. A continuación, se ha llevado a cabo una campaña de ensayos con diferentes niveles de complejidad: placa metálica, placa en material compuesto y placa en material compuesto con refuerzo. Se han establecido comparaciones entre las predicciones y los resultados de ensayos y se proponen diferentes metodologías para establecer el amortiguamiento estructural a partir de estas técnicas, así como para extrapolar los resultados a las frecuencias de interés en cada caso. ABSTRACT Damping in composite material structures is a crucial parameter in the dynamic response and, generally, is not known in advance. Establishing reliable and precise methods for their knowledge is a highly desirable objective for the development of such structures. Normally, the experience or heritage of previous projects is used, albeit in many cases is not of direct application. In addition, tests to determine the damping of structures are also quite expensive and complex. The use of simpler, faster and cheaper approaches is a general desire of industry. There are many application sectors, from aeronautics, space or wind energy, passing through the automotive industry. In this sense, Lamb wave-based techniques offer a promising alternative to determine damping in a quick and affordable manner. The main objective of the thesis is the search for methods based on Lamb waves to determine the damping in composite structures. These methods can represent significant savings in time and cost compared to traditional methods (dynamic tests, for example). It stands as a quick technique in terms of measurement and minimally invasive in terms of instrumentation. The biggest challenge is that the measurements are performed at very high frequencies compared to traditional tests as well as the physical interpretation of the phenomena. To this end, an exhaustive review of the state of the art on damping in composites has been carried out, as well as an evaluation of of Lamb's theory applied to our case. Numerical simulations have been developed with finite element models to have a prediction of the possible results. Next, a test campaign with different levels of complexity has been undergone: metallic plate, plate in composite material and composite plate with reinforcements. Comparisons between the predictions and the test results have been established and different methodologies are proposed to establish the structural damping from these techniques, as well as to extrapolate the results to the frequencies of interest in each case.