Estudio de fallo no convencional en laminados [0,90n]s: Caracterización del fallo en la lámina de 90 a partir de la Mecánica de la Fractura de Grietas de Interfase

Abstract

En el presente trabajo se hace un estudio de un fallo no convencional que se ha observado experimentalmente en diferentes situaciones para un ensayo de tracción de un laminado de material compuesto de fibra de carbono [02,90,02]. El fallo consiste en una grieta transversal a la capa de 90 grados, con una dirección de 45 grados, con presencia de grandes grietas de delaminación. Lo normal y esperable sería que este fallo hubiera aparecido a 90 grados. Para ello, se ha simulado el ensayo de tracción del material compuesto, a través de sucesivos modelos, mediante el software Abaqus/CAE, que emplea el Método de Elementos Finitos, y se ha hecho uso de magnitudes propias de la Mecánica de la Fractura. En concreto, se ha estudiado la generación de dicho daño no convencional desde dos puntos de vista. El primero de ellos ha sido como un daño progresivo, haciendo uso del índice de liberación de energía. Se han modelado los elementos observados experimentalmente (grieta de delaminación y grieta transversal a la capa de 90 grados) y se ha estudiado el efecto de la orientación y longitud de la grieta, del espesor de la capa de 90 grados y de la temperatura de curado. El segundo de ellos ha sido como un daño explosivo, haciendo uso del trabajo total liberado. Se ha modelado el daño transversal a la capa de 90 grados y se ha estudiado el efecto de la orientación del daño y del espesor de la capa de 90 grados. Con ello se busca comprender el origen de este daño observado experimentalmente que no se puede explicar a priori. En el caso del daño progresivo, se ha concluido que la aparición del daño en la lámina de 90 grados tendría una propagación inestable y se han obtenido indicios de la explicación de la aparición del daño en el laminado de los espesores observados experimentalmente, en ambos casos sin la presencia de la grieta de delaminación. No se han observado evidencias claras de la explicación de la dirección de la grieta transversal observada, ni partiendo de una grieta de delaminación, ni partiendo del daño en la lámina de 90 grados. En el caso de daño explosivo, no se han obtenido evidencias claras de la explicación ni de la orientación observada, ni del espesor para el que se ha observado el daño.

In the current work, a study of a non-conventional failure that has been experimentally observed in different situations when performing a tensile test of a [02,90,02] carbon fiber composite laminate is presented. The failure consists of a crack in the 90 degrees layer, with an orientation of 45 degrees, also appearing large delamination cracks. The usual and expected event would have been that this failure would have occurred at 90 degrees. In order to do it, the composite test has been simulated, through successive models, using the Abaqus/CAE software, which applies the Finite Element Method, and magnitudes belonging to Fracture Mechanics has been analysed. In particular, it has been studied the origin of the previously mentioned damage under two different perspectives. In the first one it has been modelled as a progressive damage, using the energy release rate. The experimentally observed elements (delamination crack and crack in the 90 degrees layer) have been modelled and it has been studied the effect of the crack orientation and length, the effect of the thickness of the 90 degrees layer and the effect of the curing temperature. In the second one the damage has been modelled as explosive, using the global released work. It has been modelled the transverse damage to the 90 degrees layer and it has been studied the effect of the damage orientation and the effect of the thickness of the 90 degrees layer. The main goal with it is understanding the origin of the experimentally observed damaged, which can’t be explained a priori. In the case of progressive damage, it has been concluded that the appearance of a damage in the 90 degrees layer would have an unstable propagation and evidences have been obtained about the presence of the damage in the laminate of the experimentally observed thicknesses, in both cases without the delamination crack. It has not been observed clear evidences about the reason of the observed direction of the transversal crack, neither with the origin of the delamination crack, nor with the damage in the 90 degrees layer. In the case of the explosive damage, it has not been obtained clear evidences of the explanation neither for the observed orientation, nor for the thicknesses in which the damage has been observed.