Implantación de un modelo de fallo progresivo por fatiga para cables elaborados con materiales reforzados con fibra

Abstract

[EN] It is well known that all materials suffer degradation of their properties due either to cyclic loads or to the effects of adverse ambient conditions over time. These facts also have an effect on composite materials, whence, it is necessary to create a modelling technique for simulating the fatigue behaviour in these materials. Nowadays, there is a dearth of information relating to the behaviour of composite materials under fatigue loading because of the difficulty for quantifying the damage. This is a consequence of delamination, micro-buckling, dislocation and fiber failure. As a result of these problems, the safety factor is high. Since the existence of these materials different theories have been created, whose target is to predict the behaviour and the material failure. These researches are found from the metal initialization criteria to those which take into account the different components of the composite materials. In this research, a model is established based on a residual material property degradation technique and catastrophic damage to simulate fatigue behaviour and predict the fatigue life of composite materials, specifically a carbon fibre cable, which is more complex in comparison with traditional materials. The material property degradation technique is realized to degrade the material properties, both stiffness and strength. The model is developed in order to simulate cycle-by-cycle behaviour of composite materials under fatigue loading. This model has three main parts: stress analysis, failure analysis, and material property degradation. These three parts are separated in two work units depending on the software used in each one. Firstly, MARC 2010 is used for the stress analysis and later afterward, the failure analysis and material property degradation are studied using an own code created with Excel Visual Basic. In order to evaluate the results of the analysis described above it would be necessary to perform a series of experiments, which is beyond the scope of this study. Therefore, in order to validate this code a simulation procedure of other authors’ work is performed, of whom extensive research has been done. Once the model is validated, it is implemented in the studied geometry; a carbon fibre cable. Using this model is possible to know the extent of the damage for any load and number of cycles from initiation to catastrophic failure.

[ES] Se sabe que todos los materiales sufren degradación de sus propiedades con el paso del tiempo por la aplicación de cargas cíclicas o por condiciones ambientales adversas. Los materiales compuestos también se ven afectado por estas cargas cíclicas lo cual hace necesario crear un procedimiento de cálculo a fatiga para conocer su deterioro, su evolución y su influencia sobre las propiedades mecánicas del material. Actualmente no hay muchos estudios sobre el comportamiento de materiales compuestos frente a fatiga ya que es difícil de cuantificar el daño debido a que los modos de fallo pueden incluir delaminaciones, desuniones, micro-pandeos y rotura en la fibra. Todo esto entre otras cosas hace que las estructuras tengan un elevado coeficiente de seguridad. Desde la existencia de estos materiales se han creado teorías que persiguen predecir el comportamiento y el fallo del material. Estas teorías van desde los criterios de iniciación de metales hasta los que tienen en cuenta los componentes del material compuesto. En este trabajo se desarrollará un procedimiento analítico basado en modelos de daño progresivo y daño catastrófico para simular el comportamiento a fatiga de los materiales compuestos, concretamente de un cable de fibra de carbono, algo mucho más complejo que en el caso de los metales. El modelo de daño progresivo consistirá en el desgaste de las propiedades mecánicas, tanto de la pérdida de rigidez como resistencia. Este modelo se puede aplicar a problemas locales y para predecir la vida a fatiga del material compuesto. La metodología de cálculo de este procedimiento tiene tres partes diferenciadas: análisis de tensiones, análisis de fallo y degradación de las propiedades. Estas tres partes se realizarán en dos bloques en este trabajo, esto depende del programa a utilizar. En el primer bloque se calculan las tensiones mediante el software de elementos finitos MARC 2010 de MSC Software. En el segundo bloque se realizará el análisis de fallo y la degradación de las propiedades mediante una herramienta creada mediante Visual Basic para Excel. El procedimiento seguido es dependiente de la realización de ensayos para caracterizar el material, cosa que no está al alcance de este trabajo. Por lo que para validar el programa generado se simulará un ejemplo de otros autores que si han realizado amplios ensayos experimentales. Una vez validado, se implementa el modelo de daño progresivo en el cable de fibra de carbono. Con este procedimiento se sabrá el estado de daño ante cualquier carga y número de ciclos desde la iniciación hasta el fallo catastrófico.

[CA] És sabut que tots els materials pateixen degradació de les seues propietats amb el pas del temps per l'aplicació de càrregues cícliques o per condicions ambientals adverses. Els materials compostos també es veuen afectats per aquestes càrregues cícliques la qual cosa fa necessari crear un procediment de càlcul de fatiga per tal de conéixer el seu deteriorament, la seua evolució i la seua influència sobre les propietats mecàniques del material. Actualment no hi ha molts estudis sobre el comportament de materials compostos enfront de fatiga ja que és difícil de quantificar el dany pel fet que els modes de fallada poden incloure laminacions, desunions, microbombaments i ruptura en la fibra. Tot açò entre altres coses fa que les estructures tinguen un coeficient de seguretat elevat. Des de l'existència d'aquestos materials s'han creat teories que perseguixen predir el comportament i la fallada del material. Aquestes teories van des dels criteris d'iniciació de metalls fins als què tenen en compte els components del material compost. En aquest treball es desenvoluparà un procediment analític basat en models de dany progressiu i dany catastròfic per simular el comportament de fatiga dels materials compostos, concretament d'un cable de fibra de carboni, quelcom molt més complex que en el cas dels metalls. El model de dany progressiu consistirà en el desgast de les propietats mecàniques, tant per la pèrdua de rigidesa com de resistència. Aquest model es pot aplicar a problemes locals i pot ser utilitzat per tal de predir la vida a fatiga del material compost. La metodologia de càlcul d'aquest procediment té tres parts diferenciades: anàlisi de tensions, anàlisi de fallada i degradació de les propietats. Aquestes tres parts es realitzaran en dos blocs en aquest treball, depenent del programa utilitzat. En el primer bloc es calculen les tensions per mitjà del programar d'elements finits MARC 2010 de MSC Programari. En el segon bloc es realitzarà l'anàlisi de fallada i la degradació de les propietats amb una eina creada mitjançant Visual Basic per a Excel. El procediment seguit depén de la realització d'assajos per a caracteritzar el material, cosa que no està a l'abast d'aqueste treball. Pel que per tal de validar el programa generat se simularà un exemple d'altres autors que si han realitzat amplis assajos experimentals. Una vegada validat, s'implementarà el model de fallada progressiva al cable de fibra de carboni. Amb este procediment se sabrà l'estat de dany front qualsevol càrrega i nombre de cicles des de l'inici fins a la fallada catastròfica.