Caracterización de la energía de fractura interlaminar en materiales compuestos laminados mediante ensayos double cantilever beam y su modelado mediante el código elementos finitos ABAQUS

Abstract

[ES] Este proyecto se centra en la obtención de un valor de tenacidad a fractura interlaminar en modo I mediante la realización de ensayos Double Cantilever Beam. Dicho ensayo consiste en aplicar una fuerza transversal a la probeta para producir un crecimiento de grieta, relacionando durante la realización del mismo la fuerza que es necesario aplicar con el desplazamiento de la cruceta. Posteriormente se comparará dicha relación fuerza-desplazamiento con la obtenida mediante el software Abaqus, utilizando el valor de tenacidad a fractura interlaminar calculado experimentalmente. Analizar el problema mediante una simulación en 2D resulta de gran interés respecto a un análisis tridimensional, debido al importante ahorro en coste computacional que se produce, obteniendo a su vez resultados suficientemente precisos. Por otro lado, para estudiar la delaminación en Abaqus se utilizarán los elementos cohesivos. La principal ventaja que estos presentan frente a otros, es su sencilla implementación y la posibilidad de predecir tanto el inicio como la evolución del daño. Estos se basan en la definición de una ley de tracción-separación, siendo la utilizada en este estudio la ley bilineal. Para caracterizarla, los parámetros principales que la definen son la tenacidad a fractura interlaminar, la tracción máxima y la rigidez interfacial. La tenacidad a fractura interlaminar escogida es el valor medio de los resultados obtenidos en las tres últimas probetas ensayadas. Por otra parte, tras realizar un análisis de sensibilidad se ha concluido que para obtener resultados precisos es necesario utilizar un tamaño de elemento del 0.15% respecto a la delaminación total y no menos de cuatro elementos dentro de la zona cohesiva. Una importante diferencia de pendiente inicial en la curva que relaciona la fuerza con el desplazamiento vertical de la cruceta, permite concluir que la delaminación inicial medida durante los ensayos no es suficientemente precisa. Dicha falta de precisión puede ser consecuencia de múltiples factores como controlar el crecimiento de la grieta visualmente o posibles incertidumbres en la posición exacta de aplicación de la fuerza. Además, esta medida, que se puede ver afectada por múltiples factores, tiene repercusiones importantes en la rigidez del material. Se ha comprobado que aumentando un 4.53% la delaminación inicial respecto a la total en la simulación, los resultados se aproximan más a los experimentales. Para concluir, se ha realizado un análisis de la influencia de ciertos parámetros que ayudan a alcanzar la convergencia. La principal conclusión que se ha extraído es que mediante el uso de elementos cohesivos los resultados son invariables con el coeficiente de estabilización viscosa. Finalmente los resultados obtenidos en la simulación y en los ensayos tienen tendencias muy similares, habiendo conseguido caracterizar en Abaqus, mediante el ajuste de parámetros, el comportamiento del laminado.

[CA] Aquest projecte se centra en l'obtenció d'un valor de tenacitat a fractura interlaminar en mode I mitjançant la realització d'assajos Double Cantilever Beam. Aquest assaig consisteix a aplicar una força transversal a la proveta per a produir un creixement de clivella, relacionant durant la realització del mateix la força que és necessari aplicar amb el desplaçament de la creuera. Posteriorment es compararà aquesta relació amb l'obtinguda mitjançant el software Abaqus, utilitzant el valor de tenacitat a fractura interlaminar calculat experimentalment. Analitzar el problema amb una simulació en 2D resulta de gran interés respecte a una anàlisi tridimensional, a causa de l'important estalvi en cost computacional que es produeix, obtenint al seu torn resultats prou precisos. D'altra banda, per a estudiar la delaminació en Abaqus s'utilitzaran els elements cohesius. El principal avantatge que aquests presenten enfront d'uns altres, és la seua senzilla implementació i la possibilitat de predir tant l'inici com l'evolució del dany. Es basen en la definició d'una llei de tracció-separació, sent la utilitzada en aquest estudi la llei bilineal. Per a caracteritzar-la, els paràmetres principals que la defineixen són la tenacitat a fractura interlaminar, la tracció màxima i la rigidesa interfacial. La tenacitat a fractura interlaminar triada és el valor mitjà dels resultats obtinguts en les tres últimes provetes assajades. D'altra banda, després de realitzar una anàlisi de sensibilitat s'ha conclòs que per a obtindre resultats precisos és necessari utilitzar una grandària d'element del 0.15% respecte a la delaminació total i no menys de quatre elements dins de la zona cohesiva. Una important diferència de pendent inicial en la corba que relaciona la força amb el desplaçament vertical de la creuera, permet concloure que la delaminació inicial mesura durant els assajos no és prou precisa. Aquesta falta de precisió pot ser conseqüència de múltiples factors com controlar el creixement de la clivella visualment o possibles incerteses en la posició exacta d'aplicació de la força. A més, aquesta mesura, que es pot veure afectada per múltiples factors, té repercussions importants en la rigidesa del material. S'ha comprovat que augmentant un 4.53% la delaminació inicial respecte a la total en la simulació, els resultats s'aproximen més als experimentals. Per a concloure, s'ha realitzat una anàlisi de la influència de certs paràmetres que ajuden a aconseguir la convergència. La principal conclusió que s'ha extret és que mitjançant l'ús d'elements cohesius els resultats són invariables amb el coeficient d'estabilització viscosa. Finalment els resultats obtinguts en la simulació i en els assajos tenen tendències molt similars, havent aconseguit caracteritzar en Abaqus, mitjançant l'ajust de paràmetres, el comportament del laminatge.

[EN] This project is focused on the achievement of a mode I interlaminar fracture toughness value by conducting Double Cantilever Beam tests. This test consists of the application of a transvere force in order to generate a growth of the crack, relating during its execution the force which is necessary to apply with the displacement. Later, this relation will be compared to the one obtained using the software Abaqus, which employs the interlaminar fracture toughness value calculated experimentally. Studying this problem with a two-dimensional simulation allows to save computational costs compared to a three-dimensional one, while obtaining good results. Furthermore, cohesive zone models will be used in order to study the delamination issue with Abaqus. Their main advantage is their easy implementation and the possibility to predict not only the evolution but also the beginning of the crack. They are based on traction-separation laws. In this project, the bilineal one has been chosen. To define it, the main parameters are fracture interlaminar toughness, interfacial strength, and interface element stiffness prior to damage initiation. The average value of the last three tests is the one selected as the fracture interlaminar toughness factor. Additionally, after a sensitivity analysis it has been concluded that to achieve accurate results it is necessary to employ an element size of 0.15% with respect to the total delamination length and no less than four elements inside the cohesive zone. An important difference of the initial slope in the plot that relates the force with the vertical displacement, has allowed to conclude that the initial delamination length measured during the tests is not accurate enough. This lack of accuracy can be a consequence of several facts such as the visual crack growth control or possible uncertainties of the exact force application position. Moreover, this measure, which can be influenced by multiple factors, has important repercussions on the material toughness. It has been proved that increasing the initial delamination length a 4.53% with respect to the total one, the results are closer to the experimentals. To conclude, it has been done an study of the influence of several parameters that help to achieve the convergence. The main conclusion is that using cohesive elements the results are invariable with the viscous stabilisation coefficient. Finally, the simulation and experimental results have similar tendencies, having been able to characterise laminate behaviour in Abaqus by adjusting cohesive parameters.