Tesis:
Prediction of mechanical properties of unidirectional FRP plies at different environmental conditions by means of computational micromechanics
- Autor: NAYA MONTÁNS, Fernando
- Título: Prediction of mechanical properties of unidirectional FRP plies at different environmental conditions by means of computational micromechanics
- Fecha: 2017
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/46239/
- Director/a 1º: GONZÁLEZ MARTÍNEZ, Carlos Daniel
- Director/a 2º: LÓPES FARÍA, Claudio Saúl
- Resumen: Actualmente, los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras cerámicas son extensamente usados en aplicaciones que requieren excelentes propiedades específicas. Hasta ahora, varios modelos de fallo, con base física o fenomenológica, han sido desarrollados para predecir el comportamiento mecánico de láminas unidireccionales de dichos materiales. No obstante, estos modelos requieren un importante número de propiedades que han de ser obtenidas mediante largas y costosas campañas experimentales. Este es el caso de las certificaciones aeronáuticas, donde el proceso completo puede extenderse durante más de un año, debido especialmente a los ensayos de materiales envejecidos bajo diferentes condiciones ambientales. Por este motivo, la industria contempla cada vez más la realización de ensayos virtuales buscando una reducción de dichas campañas experimentales, actualmente imprescindibles en la caracterización de materiales compuestos a diferentes escalas que abarcan desde pequeñas probetas a componentes estructurales. En esta tesis, se ha desarrollado una estrategia que combina experimentos y modelos numéricos dentro del marco de la micromecánica de materiales compuestos. Dicha estrategia ha permitido la predicción de las propiedades mecánicas de una lámina unidireccional de material compuesto cuando éste está en servicio bajo diferentes condicionantes ambientales. Para ello, las principales propiedades de los constituyentes han sido medidas mediante una serie de ensayos micromecánicos desarrollados in-situ, es decir, en la propia sección transversal del material compuesto. En el caso de la matriz polimérica, la indentación instrumentada ha sido combinada con la compresión de micropilares para determinar el comportamiento elasto-plástico de la resina evitando cualquier dependencia de ensayos macroscópicos. Por otro lado, la resistencia de la intercara fibra/matriz ha sido medida mediante ensayos de push-in. Respecto al trabajo computacional, una serie de microestructras estadísticamente equivalentes a la lámina real han sido virtualmente generadas usando la información obtenida del análisis micrográfico de la sección transversal del compuesto. La información resultante se ha empleado para generar un modelo tridimensional de elementos finitos de un volumen representativo de la lámina del material compuesto. El mecanismo de decohesión de la intercara fibra/matriz ha sido simulado mediante un modelo cohesivo acoplado con fricción, mientras que un modelo elasto-plástico dependiente de la presión que incluye daño por tensión y compresión ha sido empleado para capturar el comportamiento no linear de la matriz polimérica. La respuesta mecánica de ambos constituyentes ha sido calibrada usando los resultados de los ensayos micromecánicos descritos anteriormente. Este tipo de estrategia proporciona información relevante acerca del papel que juegan los diferentes constituyentes en los diferentes modos de fallos de la lámina. Además proporciona las curvas tensión-deformación (sin necesidad de usar parámetros de ajuste) y reproduce los mecanismos de fallo observado experimentalmente para casos de carga uniaxial y biaxial. El trabajo desarrollado en esta tesis sienta las bases necesarias para desarrollar una estrategia multiescala que permitirá, entre otras cosas, el desarrollo de ensayos virtuales de partes específicas de componentes, el estudio de la combinación de diferentes fibras y matrices y de la importancia de los defectos derivados de la fabricación. El resultado, será una reducción de costes y de tiempo, favoreciendo el uso de nuevos y mejores materiales adaptados a diferentes aplicaciones ingenieriles. Fiber Reinforced Polymers (FRP´s) are nowadays extensively used in applications where very good mechanical properties are required in combination with weight savings. Up to date, various phenomenological as well as physically-based failure models have been proposed for unidirectional (UD) composites. Unfortunately, their input parameters have to be obtained through costly and time-consuming experimental campaigns. This is the case of certification in the aeronautical industry, where the whole process for each material can last well over a year due to the required tests for environmental and ageing conditions. For this reason, virtual-testing of composites is getting more and more attention from the industry as it promises to reduce the experimental programs devoted to the characterization of composites at several scales, from coupons to components. In this thesis, a coupled experimental-computational strategy based on a micromechanics framework was developed to predict the mechanical properties of a composite ply (stiffness and strength) under different operating environmental conditions. To this end, the main properties of material constituents are determined by means of in-situ (in the sense that they can be performed on the actual composite material) micromechanical measurements. Regarding the polymer matrix, two micromechanical techniques, instrumented indentation and micropillar compression, are combined to determine with high accuracy the polymer elasto-plastic behavior avoiding any type of macroscopic test dependency. On the other hand, fiber/matrix interface strength is measured by means of push-in tests. Regarding the computational work, a set of virtual microstructures, statistically equivalent to the real ply, are generated using the information extracted from micrograph analysis of the composite cross-section. The resulting information is used to generate a 3D FE model of a Representative Volume Element (RVE) of the composite ply. The interface decohesion is simulated using cohesive-frictional interactions, whereas a pressure dependent, elasto-plastic model that includes tensile and compression damage is employed to capture the matrix nonlinear behavior. The mechanical response of both constituents is calibrated using the properties measured by micromechanical testing above mentioned. This type of approach provides information regarding the importance of each constituent in the different failure modes and is able to reproduce the stress-strain curves (without fitting parameters), as well as the deformation and fracture mechanisms experimentally observed for uniaxial and biaxial loading cases. The work developed in this thesis constitutes the building block of a bottom-up multiscale approach setting the basis for in-situ virtual testing of specific regions of the ply, fast characterization of different combinations of matrices and fibers and study of micro-defects resulting from deficient curing conditions, among other important industrial requirements. This leads to the reduction of time and costs involved in new material designs and provides fast screening capabilities that improve material selection in engineering applications.