Análisis térmico de un material aeronáutico CFRP con concentrador de tensiones sometido a fatiga y su modelado mediante el método de elementos finitos

Abstract

[ES] Los materiales compuestos son en la actualidad muy importantes en el sector aeronáutico, debido principalmente a su altas prestaciones frente a la corrosión o a la fatiga y a su alta relación resistencia-peso y rigidez-peso. Estas características producen ventajas estructurales sobre su utilización en detrimento de otros materiales más convencionales.

Mediante el desarrollo de este proyecto se pretende ampliar el conocimiento que se tiene de estos materiales desde un punto de vista térmico. En concreto, se analizará un material CFRP (material polimérico reforzado con fibra de carbono) sometido a cargas cíclicas. Con la ayuda de una cámara termográfica se estudia la influencia de la temperatura en la rotura del material con la finalidad de tratar de anticiparse a ella y observar el incremento de temperatura que es capaz de alcanzar este material. Adicionalmente, se han desarrollado modelos del material mediante el método de elementos finitos con el objetivo de encontrar una posible relación entre las tensiones producidas al someter el material a una carga y el incremento de la temperatura en el concentrador de tensiones.

Durante la realización del proyecto se ha observado la importancia de los defectos de fabricación en el material utilizado. Estos defectos tienen cierta relación con el incremento de la temperatura en las zonas donde se detectan, provocando una disminución de la vida en servicio del material ensayado, que es visible mediante la aparición de grietas que conducen finalmente a la rotura total del material.

Los defectos de fabricación se producen en la etapa de apilamiento del laminado, donde las fibras y la resina se mezclan para formar las diferentes láminas del material final. En esta fase aparecen desalineamientos o arrugas entre las fibras, es decir las fibras no se encuentran totalmente estiradas ni paralelas entre ellas. En la actualidad, hay maquinaria más sofisticada que mejora este proceso, lo que conlleva a un mejor acabado de los laminados. Aún así sigue siendo un problema sin resolver y de interés científico.

[EN] Composite materials are currently very important in the aeronautical sector, mainly due to their high performance against corrosion or fatigue. It also stands out for its high strength-to-weight and stiffness-weight. These characteristics produce structural advantages over their use to the detriment of other more conventional materials.

The aim of this project, is to increase the knowledge that we have of these materials from a thermal point of view. In particular a CFRP material (carbon fiber reinforced polymer material) subjected to cyclic loading will be analysed. With the help of a thermographic camera, the influence of temperature on the breakage of the material is studied in order to try to anticipate it and observe the increase of temperature that this material is capable of reaching. In addition, numerical models have been developed using the finite element method with the aim of finding a possible relationship between the stress distribution produce when the material is subjected to a load and the increase in temperature in the stress concentrator.

During the development of the study the importance of material manufacturing defects has been observed. These defects have a certain relationship increasing the temperature in the areas where they are detected, causing a decrease in the service life of the material.

Manufacturing defects occur manily at the stacking stage, where the fibers and resin mix to form different plies of the final material. At this stage, misalignments or wrinkles appear between the fibers, i.e. the fibers are not completely stretched or parallel to each other. Nowadays, there is more sophisticated machinery that improves this process, which leads to a better finish of the laminates. Yet it remains an unresolved problem of scientific interest.

[CA] Els materials compostos s´on en l’actualitat molt importants en el sector aeron`autic, degut principalment a les seues altes prestacions enfront de la corrosi´o o de la fatiga. Destaca tamb´e la seua alta relaci´o resist`encia-pese i rigidesa-pese. Aquestes caracter´ıstiques produeixen avantatges estructurals sobre la seua utilitzaci´o en detriment d’altres materials m´es convencionals. Mitjan¸cant el desenvolupament d’aquest projecte es pret´en ampliar el coneixement que es t´e d’aquestes materials des d’un punt de vista t`ermic. En concret, s’analitzar`a un material CFRP (material polim`eric refor¸cat amb fibra de carboni) sotm´es a c`arregues c´ıcliques. Amb l’ajuda d’una c`amera termogr`afica s’estudia la influ`encia de la temperatura en la ruptura del material amb la finalitat de tractar d’anticipar-se a ella i observar l’increment de temperatura que ´es capa¸c d’aconseguir aquest material. Addicionalment, s’han desenvolupat models del material mitjan¸cant el m`etode d’elements finits amb l’objectiu de trobar una possible relaci´o entre les tensions produ¨ıdes en sotmetre el mat`eria a una c`arrega i l’increment de la temperatura en el concentrador de tensions. Durant la realitzaci´o del projecte s’ha observat la import`ancia dels defectes de fabricaci´o en el mat`eria utilitzat. Aquests defectes de fabricaci´o tenen una certa relaci´o amb l’increment de la temperatura en les zones on es detecten, provocant una disminuci´o de la vida en servei del material assajat, que ´es visible mitjan¸cant l’aparici´o de clevills que condueixen finalment a la ruptura total del material. Els defectes de fabricaci´o es produeixen en l’etapa de d’apilament del laminatge, on les fibres i la resina es mesclen per a formar les diferents l`amines del material final. En aquesta fase apareixen desalineaments o arrugues entre les fibres, ´es a dir les fibres no es troben totalment estirades ni paral·leles entre elles. En l’actualitat, hi ha maquin`aria m´es sotisficada que millora aquest proc´es, que comporta a un millor acabat dels laminatges. Aix´ı i tot continua sent un problema sense resoldre i d’inter´es cient´ıfic.