comportamiento de componentes estructurales bajo...

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






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





Constituyentes

Ensayos de caracterización

Niveles de complejidadNiveles de complejidad

INTRODUCCIÓN

Laminado

Importancia de los ensayosImportancia de los ensayos

INTRODUCCIÓN

Lámina

Laminado





Constituyentes

Laminado

• Desarrollo de nuevos materiales• Control de calidad• Análisis de fallos en servicio

1. Introducción






ÍndiceÍndice

CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS

Tracción

Compresión

Cortadura plana

Cortadura interlaminar


En función del modo de cargaEn función del modo de carga


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



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






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


Los ensayos dinámicos son más complejos de realizar que los estáticos


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






ÍndiceÍndice

ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN


Péndulo Charpy

Tipos de ensayos

- Flexión

- Tracción


Tipos de ensayos

- Flexión

- Tracción

- Flexión biaxial

Dispositivos empleadosDispositivos empleados

(probeta con entalla)IzodCharpy

3 puntos (probeta sin entalla)

Péndulo CharpyPéndulo Charpy


Martillo

Probeta

θo ( )oo cos1Lh θ−⋅=

Vo

Instrumentación



Detalle del martillo y el dispositivo de apoyoPéndulo Charpy

Apoyos

Instrumentación



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


ho

Vo

Percutor

Probeta

Medidor de velocidad


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


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


ConfiguraciónCharpy/3-puntos

Configuración Izod

L/h > 32, 40, 60

h

Fuer

za

Desplazamiento

Tiempo

Ener

gía

Integración


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



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


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


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


No existe normativa específica. Se puede emplear la existente para materiales poliméricos

Ensayo de flexión NormativaEnsayo de flexión Normativa

PROPIEDADES:

• Energía absorbida hasta rotura


Ensayo de flexión biaxialEnsayo de flexión biaxial


aa


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


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


• 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).


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


Ensayo de tracciónEnsayo de tracción

PROPIEDADES:

• Resistencia mecánica• Deformación a rotura




Tiempo

Fuer

za

Integración

Fuer

za

Desplazamiento

1. Introducción






ÍndiceÍndice

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


Barra Hopkinson (Tracción)Barra Hopkinson (Tracción)

Barraincidente

Barra transmisora

Utilesde

amarre

Probeta

εiεt

εr


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


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


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


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 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


1. Introducción






ÍndiceÍndice


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 generación de dañoEnsayos de generación de daño

Impacto

Deslaminación


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)


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



No visible Visibleen lado opuesto

Visible

Energía de impacto

Resistencia a compresión

BVD


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 CAI NormativaEnsayo CAI Normativa


• 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)



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


Ensayo CAI EjemploEnsayo CAI Ejemplo

comportamiento de componentes estructurales bajo...

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