Estudio numérico y experimental de fabricación y fractura en materiales híbridos de titanio-material compuesto reforzados con fibra de carbono

Abstract

[EN] In the present bachelor’s research two hybrid titanium-unidirectional carbon fiber reinforced polymer specimens have been produced. The design characteristics have been conditioned so as to obtain unbalanced specimens with adhesive between all hybrid interfaces, therefore the joining method is the so called co-bonding. The dimensions are stated by standards of Double Cantilever Beam (DCB) test, for which the specimens are created. This test allows to find the fracture related properties in mode I, obtaining a consistent characterisation of the hybrid interface. One of the main issues in hybrid parts is the thermal residual strains and stresses building-up during manufacturing, consequence mainly, of the mismatch between the coefficient of thermal expansion of metallic and composite fractions. In order to evaluate such stresses-strains an optical sensing network has been embedded inside the composite block of the specimens. A total of 5 fiber bragg grating (FBG) sensors in each specimen are used to monitor the temperature and strain evolution inside the laminate during curing cycle of the composite part (adhesive is cured in the same cycle). Strains trend show low, quasi-constant values for the most part of the curing cycle until the cooling phase when strains start to increase notably. This is due to the viscous state of the resin and adhesive at high temperatures, that avoids the load transfer at interfaces until the polymeric fraction is completely solid when it is cooled. Numerical models simulating the cool-down phase have shown that the stress free temperature of the co-bonded laminate is around 120oC, this is obtained through a comparison with the experimental plots. With this temperature, more accurate results for the residual stresses have been obtained as well as a preliminary evaluation of the final bending displacement of the unbalanced arm.

[ES] En el presente proyecto de fin de grado se han fabricado dos especímenes híbridos de titanio y polímero reforzado con fibra de carbono unidireccional. Las características del diseño han sido condicionadas para obtener especímenes desbalanceados, es decir con deformaciones térmicas después del ciclo de curado, con una lámina de adhesivo entre cada una de las interfases híbridas del laminado, usando así el método determinado como co-bonding para uniones en compuestos. Las dimensiones estén determinadas por la normativa estándar del test (Double Cantilever Beam) para el cual han sido producidos los especímenes. Dicho test permite obtener las propiedades relacionadas con el modo I de fractura, consiguiendo así la caracterización de la interfase híbrida. Uno de los mayores problemas en elementos híbridos son las cargas y deformaciones térmicas residuales que se crean durante la fabricación, debidas en su mayoría a la diferencia entre los coeficientes de expansión térmica de la parte metálica y el compuesto. Con la finalidad de evaluar dichas cargas y deformaciones, una red sensitiva de fibra óptica ha sido insertada dentro del bloque de compuesto de los especímenes. Un total de 5 sensores FBG en cada espécimen son usados para monitorizar la evolución de temperatura y deformaciones durante el ciclo de curado del compuesto. La tendencia de las deformaciones durante la mayoría del ciclo es constante, con valores muy pequeños, hasta el inicio de la fase de enfriado cuando las deformaciones (en este caso compresivas) aumentan notablemente. Este efecto es debido al estado viscoso de la resina y el adherente a altas temperaturas, lo cual reduce la capacidad de transmisión de cargas en las interfase híbridas hasta que la fracción polimérica está completamente sólida. Las simulaciones en modelos MEF de la fase de enfriamiento muestran que la temperatura bajo la cual empiezan a crecer considerablemente las deformaciones y por tanto las cargas térmicas, está sobre 120oC, esta temperatura se ha obtenido mediante comparaciones con las gráficas experimentales. Con esta temperatura, los resultados obtenidos en MEF para las cargas térmicas son más precisos, así como la evaluación preliminar del desplazamiento vertical debido a la curvatura de uno de los brazos del espécimen.