Caracterización de un modelo continuo para núcleos de fibra de Aramida. Aplicación a estructuras emparedadas y análisis de fallo por pandeo a compresión (Wrinkling)

Abstract

[ES] El núcleo con geometría de panal de abeja es uno de más empleados en la fabricación de las estructuras sándwich y su composición tiene un papel fundamental en el rendimiento mecánico de estas estructuras. Entre los materiales existentes, los materiales compuestos reforzados con fibra emergen como una alternativa a los materiales empleados actualmente, ya que permiten mejorar las propiedades mecánicas específicas del núcleo en las direcciones deseadas. En este sentido, en el proyecto se ha considerado un núcleo de panal de abeja formado por tres laminados representativos de un material compuesto reforzado con fibra de aramida: un laminado monocapa con la fibra orientada 0ᵒ, un laminado angular simétrico [0ᵒ/45ᵒ/-45ᵒ/90ᵒ/-45ᵒ/45ᵒ/0ᵒ] y un laminado cruzado simétrico [90ᵒ/0ᵒ/90ᵒ/0ᵒ/90ᵒ]. Con el objetivo de definir las propiedades elásticas para un modelo continuo de elementos finitos de este tipo de estructura, se ha considerado un volumen elemental representativo del núcleo y que va constituir nuestra región de interés (ROI). Se ha llevado a cabo un proceso de homogenización numérica mediante el método de los elementos finitos. Se ha evaluado la influencia de cada uno de los tres laminados en las propiedades elásticas del núcleo. Como resultado, el núcleo formado con el laminado [90ᵒ/0ᵒ/90ᵒ/0ᵒ/90ᵒ] presentó el valor más alto del módulo de Young en la dirección transversal (𝐸�𝑧�), mientras que la presencia de fibras orientadas a +/- 45ᵒ en el laminado provocaron un aumento de los módulos 𝐺�𝑦�𝑧� y 𝐺�𝑧�𝑥� del núcleo en comparación con los otros dos laminados. Por otra parte, el fallo estructural producido por pandeo de las paredes que definen las celdas del núcleo (wrinkling) sucede cuando las pieles de la estructura sándwich están sometidas a cargas de compresión. Se trata de un tipo de fallo catastrófico para este tipo de componentes. En consecuencia, en el proyecto también se ha estudiado el comportamiento de estas estructuras frente al wrinkling, considerando como variables de diseño el material del núcleo y la esbeltez de la estructura. Para este segundo parámetro, se ha considerado un número diferente de celdas representativas. Con esta finalidad, se han creado distintos modelos de la estructura emparedada en elementos finitos y, sobre cada modelo, se ha llevado a cabo un análisis de pandeo lineal mediante el código de elementos finitos ANSYS. Los resultados obtenidos mostraron una relación inversamente proporcional entre esbeltez y carga crítica de pandeo, siendo la estructura sándwich compuesta por el núcleo formado por el laminado [0ᵒ/45ᵒ/-45ᵒ/90ᵒ/-45ᵒ/45ᵒ/0ᵒ] la que mejor resistencia ofreció en cada una de las esbelteces consideradas.