Comparación de la capacidad de absorción de energía frente a impactos de baja velocidad de estructuras sandwich augéticas y no augéticas

Abstract

[ES] En el sector aeronáutico es muy frecuente el uso de estructuras tipo sándwich fabricadas a partir de materiales compuestos de matriz polimérica para elementos que se ven expuestos a impactos de baja velocidad durante las fases de despegue y aterrizaje, usualmente debidos al impacto de aves. Por otro lado, es bien conocido que los materiales augéticos, es decir, con coeficiente de Poisson negativo, presentan una capacidad de absorción de energía algo mejor que los materiales convencionales con coeficiente de Poisson positivo, puesto que la deformación transversal en estos materiales dificulta la propagación de las grietas producidas por el impacto. La mayoría de materiales, tanto los presentes en la naturaleza como los fabricados industrialmente, tienen coeficientes de Poisson positivos. No obstante, es posible utilizar diversas técnicas para fabricar materiales poliméricos o compuestos de matriz polimérica que presentan un comportamiento augético. En particular, se pueden obtener espumas y núcleos de estructuras tipo sándwich con geometrías de poro o celda especiales que pueden ser fabricadas mediante impresión 3D. Además, algunos laminados angulares de material unidireccional de epoxi reforzado con fibra de carbono presentan también comportamiento augético en el plano transversal, aunque en este caso, el comportamiento es muy anisótropo. El objetivo del trabajo es el diseño de una estructura tipo sándwich con núcleo y alas de materiales augéticos, y la comparación de su capacidad de absorción de energía frente a impactos de baja velocidad respecto a otros materiales convencionales utilizadas en el sector aeronáutico. Para ello, se pretende evaluar el coeficiente de Poisson transversal de laminados angulares de material unidireccional de epoxi-carbono con el fin de seleccionar unas pieles para el material augético a evaluar. Por otro lado, partiendo de la geometría Evans para materiales augéticos se definirá un núcleo con comportamiento augético susceptible de ser utilizado en aplicaciones aeronáuticas. Se ajustará la geometría de ambos materiales para que su resistencia y rigidez esté equilibrada y se obtenga un material adecuado para aplicaciones aeronáuticas. Una vez diseñado el material augético, se simulará su comportamiento frente a impacto de baja velocidad mediante el Método de los Elementos Finitos. En este estudio se comparará la cantidad de energía absorbida con el de una estructura sándwich convencional y se evaluará la influencia que tiene en dicho resultado la utilización de pieles o núcleos augéticos. Por último, en la medida en que se disponga del tiempo suficiente y de los recursos necesarios, se tratará de fabricar y evaluar mediante ensayos Charpy el comportamiento del material diseñado frente a uno más convencional.

[EN] In the aeronautical sector, sandwich structures made of polymer matrix composites are frequently used for elements that are exposed to low-speed impacts during take-off and landing, usually due to bird strikes. On the other hand, it is well known that augmetic materials, i.e. with a negative Poisson's ratio, have a somewhat better energy absorption capacity than conventional materials with a positive Poisson's ratio, since the transverse deformation in these materials hinders the propagation of cracks produced by the impact. Most materials, both naturally occurring and industrially manufactured, have positive Poisson's coefficients. However, it is possible to use various techniques to manufacture polymeric materials or polymer matrix composites that exhibit augmetic behaviour. In particular, it is possible to obtain foams and cores of sandwich structures with special pore or cell geometries that can be manufactured by 3D printing. In addition, some angular laminates of unidirectional carbon fibre reinforced epoxy material also exhibit augmetic behaviour in the transverse plane, although in this case, the behaviour is highly anisotropic. The aim of this work is the design of a sandwich structure with a core and wings made of augmetic materials, and the comparison of its energy absorption capacity against low-speed impacts with respect to other conventional materials used in the aeronautical sector. To this end, the aim is to evaluate the transverse Poisson's coefficient of angular laminates of unidirectional epoxy-carbon material in order to select skins for the augmetic material to be evaluated. On the other hand, starting from the Evans geometry for augmetic materials, a core with augmetic behaviour suitable for aeronautical applications will be defined. The geometry of both materials will be adjusted so that their strength and stiffness are balanced and a material suitable for aeronautical applications is obtained. Once the augmetic material has been designed, its behaviour against low velocity impact will be simulated using the Finite Element Method. In this study, the amount of energy absorbed will be compared with that of a conventional sandwich structure and the influence of the use of augmetic skins or cores on this result will be evaluated. Finally, as far as sufficient time and resources are available, we will try to manufacture and evaluate the behaviour of the designed material compared to a more conventional one by means of Charpy tests.

[CA] El present treball t´e com a objectiu principal avaluar la possibilitat de millorar l’absorci´o d’energia front a l’impacte en estructures de tipus sandwich. Per a aix`o, es planteja la utilitzaci´o de materials amb propietats aug´eticas, ´es a dir, el coeficient de Poisson ´es negatiu. Aix´ı doncs, la idea principal ´es la utilitzaci´o de materials aug´eticos, tant en les ales com en el nucli, per fabricar una estructura totalment aug´etica en qu`e s’avalu¨ı si es millora l’absorci´o d’energia front a l’impacte en baixes velocitats.