Tesis:
Multiscale Characterization and Modelling of Polyurethane Foams
- Autor: MARVI MASHHADI, Mohammad
- Título: Multiscale Characterization and Modelling of Polyurethane Foams
- Fecha: 2018
- 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/51715/
- Director/a 1º: FARIA LOPES, Cláudio Saúl
- Director/a 2º: LLORCA MARTÍNEZ, Francisco Javier
- Resumen: A modelling strategy based on multiscale characterization and computational homogenization has been developed to analyze the mechanical behavior of rigid, open and closed-cell PU foams taking into account the microstructural features. A multiscale mechanical characterization (i.e. micro- and macromechanical) was carried out on four different Polyurethane (PU) foams with different densities and microstructure. The foam microstructure was studied by means of scanning electron microscopy and X-ray microtomography to determine the cell size distribution, the cell and the strut shape as well as the cell wall thickness. Moreover, the elastic modulus of the solid PU within the foam was measured using instrumented nanoindentation creep tests at ambient temperature using a spherical indenter while the compressive yield stress of the solid PU within the foam was obtained by means of standard nanoindentation tests with a Berkovich indenter. Macroscopic mechanical tests (uniaxial tension, uniaxial compression and shear) were performed to assess the influence of the density and structural anisotropy on the mechanical properties. The information obtained from the microstructural characterization was used to build representative volume elements of the foam microstructure. This was achieved by means of the Laguerre tessellation of the space from a random closepacked sphere distribution, which followed the cell size distribution of the foam. The polyhedra obtained from the Laguerre tessellation were isotropic and the structural anisotropy of the foam was introduced by means of an affine deformation of the polyhedra. The faces and edges of the polyhedra which stand for the cell walls and struts of the foam were discretized using shell and beam elements, respectively. Special care was taken to ensure that the key microstructural features (density, cell size distribution, anisotropy, cell wall thickness, strut shape, etc.) followed the experimental data. The mechanical properties of the foam in compression were simulated by means of the finite element simulation of the representative volume element of the mi crostructure. The mechanical properties of the solid PU in the model were obtained from the nanoindentation tests. Most of the numerical simulations were carried out up to the onset of plastic instability to determine the elastic modulus and the critical stress at the onset of plastic instability. The simulations were in good agreement with the experimental data and were able to capture the large influence of the cell anisotropy on the mechanical properties of the foam. In particular, foams compressed parallel to the orientation of the longest cell dimension presented much higher elastic modulus and critical stress at the onset of instability than those deformed in the perpendicular direction. The analysis of the deformation and failure micromechanisms in the representative volume elements showed that the instability was triggered by the localized plastic buckling of the struts in one section of the foam. Moreover, the differences in the mechanical response in the anisotropic foams were caused by a change in the dominant deformation mode of the struts with orientation: from axial deformation when the foam was deformed parallel to the longer axis of the cells to bending in the perpendicular orientation. Moreover, the potential of the simulation strategy to capture the mechanical behavior of the foams up to very large strains, including the effect of densification, was demonstrated. Finally, a parametric study was carried out to assess the influence of the microstructural factors on the elastic modulus and on the critical stress at the onset of instability . It was found that the main factors that control the mechanical properties of the foam were the relative density, the fraction of mass in the struts and in the cell walls and the cell aspect ratio. This information was used to build surrogate models that are able to predict the elastic modulus and the stress at the onset of instability of open and closed-cells foam for relative densities in the range 0.025 to 0.2. ----------RESUMEN---------- En esta tesis doctoral se ha desarrollado una estrategia de modelización para estudiar el comportamiento mecánico de espumas rígidas de Poliuretano (PU) abiertas y cerradas basada en caracterización multiescala y en la homogenización numérica. La caracterización de las propiedades mecánicas a nivel microscópico y macroscópico se realizó en cuatro espumas rígidas de PU con diferente densidad y microestructura. La microestructura de las espumas se estudió mediante microscopía electrónica de barrido y tomografía de rayos X para medir la distribución de tamaños de las celdas, la forma de las celdas y de la aristas así como el espesor de las paredes de las celdas. Además, el módulo de elasticidad del PU en la espuma se determinó mediante ensayos de fluencia a temperatura ambiente en un nanoindentador con una punta esférica mientras que el límite elástico en compresión del PU dentro de la espuma se midió mediante ensayos de nanoindentación con una punta Berkovich. Se llevaron a cabo ensayos mecánicos de compresión, tracción, cortante sobre probetas macroscópicas para medir la influencia de la densidad y de la anisotropía en las propiedades mecánicas. La información obtenida mediante la caracterización microestructural se usó para construir volúmenes representativos de la microestructura de las espumas. Esta tarea se llevó a cabo mediante la teselación de Laguerre del espacio a partir de una distribución compacta de esferas cuya distribución de tamaños seguía la distribución de tamaños de las celdas en la espuma. Los poliedros resultantes de la teselación son isótropos y se introdujo la anisotropía aplicando una deformación afín a todas las celdas. Las caras y las aristas de los poliedros, que representan las paredes y las aristas de las celdas en la espuma, se discretizaron con elementos de placa y de viga, respectivamente. Se tuvo especial cuidado para que los volúmenes representativos fueran un fiel reflejo de las principales características microestructurales de las espumas (densidad, distribución del tamaño de las celdas, anisotropía, espesor de las paredes, forma de las aristas, etc.). Las propiedades mecánicas de las espumas en compresión se calcularon mediante el análisis por elementos finitos de los volúmenes representativos de la microestructura. Las propiedades mecánicas del PU se obtuvieron de los resultados de los ensayos de nanoindentación. La mayoría de las simulaciones numéricas se realizaron hasta el comienzo de la inestabilidad plástica para determinar el modulo de elasticidad y la tensión crítica para provocar la instabilidad. Los resultados de las simulaciones se ajustaron a las valores experimentales and fueron capaces de predecir la enorme influencia de la anisotropía de las celdas en las propiedades mecánicas de las espumas. En particular, las espumas comprimidas en la dirección de la dimensión mayor de las celdas presentaron valores mucho mas elevados del módulo de elasticidad y de la tensión crítica para la inestabilidad que las espumas defomadas en la dirección perpendicular. El análisis de los micromecanismos de deformación en los volúmenes representativos demostró que la inestabilidad plástica se origina como consecuencia del pandeo plástico de la aristas de las celdas en una sección localizada de la espuma. Además, las diferencias en el comportamiento mecánico en las direcciones perpendiculares de las espumas anisótropas están causadas por un cambio en el mecanismo dominante de deformación de las aristas de las celdas: de deformación axial cuando la espuma se deforma en la dirección del eje mas largo de las celdas a flexión en la dirección perpendicular. Además, se ha demostrado la capacidad de la estrategia de simulación para modelizar el comportamiento mecánico de las espumas en compresión hasta grandes deformaciones, incluyendo el efecto de la densificación. Finalmente, se llevó cabo un estudio paramétrico de la influencia de los factores microestructurales en el módulo de elasticidad y en la tensión crítica de inestabilidad durante la deformación en compresión de las espumas. Los resultados del estudio demostraron que los parámetros microestructurales que controlan el comportamiento mecánico de las espumas son la densidad relativa, la fracción de masa en las paredes y en las aristas, y el factor de forma de las celdas. Esta información se utilizó para construir modelos analíticos sencillos que son capaces de predecir el módulo de elasticidad y al tensión crítica de inestabilidad en espumas abiertas o cerradas con densidades relativas en el intervalo 0.025 a 0.2.