Análisis de deformaciones en materiales aeronáuticos CFRP mediante la correlación digital de imágenes (DIC) y su modelado mediante el método de elementos finitos

Abstract

[ES] En los últimos años, el uso de materiales compuestos en la industria se ha visto incrementado considerablemente. Estos materialesocupan un lugar muy importante en el sector aeronáutico, debido a sus excelentes propiedades mecánicas y su alta resistencia frente a la corrosión o a la fatiga. Sus buenascaracterísticas han generado un desplazamiento de materiales más convencionales, priorizando el uso de los materiales compuestos en componentes estructurales de relevada importancia.Con el objetivo de aumentar el conocimiento existente sobre los materiales compuestos reforzados con fibra de carbono, conocidos como CFRP, este proyecto se centra en el análisis de las deformaciones de un material aeronáutico CFRP (extraído del fuselaje de un avión comercial),sometido a cargas de tracción uniaxiales. Para ello, se han realizado ensayos a tracción aplicando el método de correlación digital de imágenes (DIC) para la obtención de los datos de deformación del material. Posteriormente, se ha implementado un modelo numérico que reproduce el ensayo de tracción mediante el código de elementos finitos ABAQUS. La metodología DIC es una técnica óptica experimental que se basa en el seguimiento de la distorsión de un patrón mediante imágenes.Partiendo de una imagen inicial,que sirve como imagen base, se puedenconocer los desplazamientos y deformaciones de la superficie de interés. En este trabajo se aplica esta metodología sobre tres geometrías distintas: una geometría en forma de hueso y dos geometrías con agujeros de distintos diámetros que actúan como concentradores de tensiones. Posteriormente, se comparan los resultados obtenidos experimentalmente con los obtenidos mediante el modelo en ABAQUS con el fin de validar el modelo. Finalmente, a través del modelo numérico se realizará un análisis tensional del laminado estudiando la orientación de las láminas y los efectos de borde asociados a las tensiones fuera del plano que no contempla la Teoría de Láminas.

[EN] In recent years, the use of composite materials in industry has been greatly increased. These materials takea very important place in the aeronautical sector, due to their excellent mechanical properties and their high resistance against corrosion or fatigue. Its good characteristics have generateda displacement of more conventionalmaterials, prioritizing the use of composite materials in important structural components.With the aim of increasing the existing knowledge about carbon fiber reinforced composite materials, known as CFRP, this project focuses on the analysis of the deformations of a CFRP aeronautical material, extracted from the fuselage of a commercial aircraft subjected to uniaxial loads of tension. For them, tensile tests have been performed applying the digital image correlation method (DIC) to obtain material deformation data. Subsequently, a numerical model has been implemented that reproduces the tensile test using the ABAQUS finite element code.The DIC methodology is an optical experimental technique that is based on monitoring the distortion of a pattern by means of images from an initial position that serves as the base image to know the displacements and deformations of one of the surfaces of the specimen. This methodology is applied to three different geometries: one bone-shaped geometry and two geometries with holes of different diameters that act as stress concentrators. Subsequently, the results obtained experimentally are compared with those obtained using the ABAQUS model in order to validate the model.Finally, through the numerical model, a tensile analysis of the laminate will be carried out, studying the orientation of the sheets and the edge effects associated with out-of-plane stresses that the LaminateTheorydoes not contemplate.

[CA] En els últims anys, l'ús de materials compostos en la indústria s'ha vist incrementat considerablement. Aquests materials, ocupen un lloc molt important en el sector aeronàutic, per les seues excel·lents propietats mecàniquesi la seua alta resistència enfront de la corrosió o fatiga. Les seues bones característiques han generat un desplaçament de materials més convencionals, prioritzant l'ús dels materials compostos en components estructurals de rellevantimportància.Amb l'objectiu d'augmentar el coneixement existent sobre els materials compostos reforçats amb fibra de carboni, coneguts com CFRP, aquest projecte escentra en l'anàlisi de les deformacions d'un material aeronàutic CFRP, extret del fusellatge d'un avió comercialsotmès a càrregues de tracció uniaxials. Amb aquest motiu, s'han realitzat assajos a tracció aplicant el mètode de correlació digital d'imatges (DIC) per a l'obtenció d’informació de la deformació del material. Posteriorment, s'ha implementat un model numèric que reprodueix l'assaig de tracció mitjançant el codi d'elements finits ABAQUS.La metodologia DIC és una tècnica experimental òptica que es basa en el seguiment de la distorsió d'un patró mitjançant imatges a partir d'una posició inicial que serveix com a imatge base per conèixer els desplaçaments i deformacions d'una de les superfícies de la proveta. S'aplica aquesta metodologia sobre tres geometries diferents: una geometria en forma d'os i dues geometries amb forats de diferents diàmetres que actuencom a concentradors de tensions. Posteriorment, es comparen els resultats obtinguts experimentalment amb els obtinguts mitjançant el model en ABAQUS per tal de validarel model.Finalment, a través del model numèric es fa un anàlisi tensional del laminat estudiant l'orientació de les làmines i els efectes de vora associats a les tensions fora de l'àmbitque no contempla la Teoria de Làmines.