Tesis (Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras)

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Asymptotic solutions in anisotropic elastic multi-material corners with frictional contact
(2024-06-07) Herrera Garrido, María Ángeles; Mantic, Vladislav; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
El objetivo principal de esta tesis es proponer una metodología para caracterizar soluciones elásticas singulares en el entorno de puntos singulares en esquinas anisótropas de un solo material o de varios materiales a través de la expansión de la serie asintótica. La primera parte de esta tesis realiza un estudio del estado del arte, identificando varios aspectos aún por cubrir, lo que lleva a la definición de cinco objetivos específicos. En la segunda parte, se revisa y verifica un formalismo matricial general para el análisis de singularidades de tensiones bajo deformación plana generalizada, junto con su implementación en código MATLAB. Los resultados obtenidos mediante la implementación se verifican y se comparan con los resultados presentes en la literatura, revelando ciertas discrepancias, especialmente en casos que involucran contacto por fricción cuando el plano $x_3=0$ no es un plano de simetría elástica. Se presta especial atención a las soluciones en casos que presentan contacto con fricción, incluidas soluciones complejas y soluciones inesperadas que muestran acoplamiento entre los modos plano y antiplano a pesar de las simetrías elásticas presentes en la esquina. Estas últimas se validan utilizando un método numérico de elementos de contorno. La tercera parte de la tesis se centra en el desarrollo de metodologías semi-analíticas específicas para dos problemas relevantes: grieta de interfaz con contacto por fricción y contacto por fricción entre dos cuñas anisótropas. Estas metodologías se basan en el formalismo de Stroh y la ley de fricción de Coulomb, lo que permite la verificación de soluciones obtenidas a través del formalismo matricial general que no podrían verificarse mediante la comparación con otros autores. En la cuarta parte, se presenta la aplicación web SingSol. Esta aplicación web, basada en el lenguaje Python, representa una versión mejorada de la implementación MATLAB del formalismo matricial general. Incluye un módulo de optimización que permite el cálculo de soluciones de manera totalmente autónoma. Por último, con el objetivo de analizar la importancia de considerar el contacto con fricción en el análisis de aplicaciones ingenieriles reales, se realiza un análisis numérico del ensayo de flexión con entalla con apoyo en tres puntos, enfocandonos en la grieta de interfaz con contacto por fricción. Se desarrolla una metodología numérica para estudiar el crecimiento de grietas bajo carga de flexión, examinando cómo el coeficiente de fricción y las discrepancias de rigidez entre materiales afectan a la carga crítica y al incremento de longitud de grieta. En conclusión, esta tesis proporciona un marco integral para analizar singularidades de tensión en esquinas multi-materiales con contacto con fricción, desarrollando y validando metodologías semianalíticas específicas y aplicaciones de ingeniería práctica.
Analysis of failure mechanisms associated with the unfolding failure in CFRP Profiles
(2024-05-08) Bushpalli, S.; Graciani Díaz, Enrique; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
The rapid increase in the usage of composite materials in the aerospace sector demands their introduction into primary and secondary structures involving complex geometries. Considering one such application of highly curved composite laminates as stiffening agents (spars/rib configurations in airplanes), these laminates are subjected to delaminations under opening bending loads due to their relatively weak out of plane properties. This type of failure is termed unfolding failure, occurring when the laminate's loading attempts to open the curvature. This failure is typically associated with the interlaminar normal stress (INS) characterized by the interlaminar tensile strength (ILTS), generally obtained by a fourpoint bending test. The four-point bending test, originally designed to obtain ILTS in unidirectional curved composite laminates, provides an apparent strength when applied to non-UD curved laminates, exhibiting a thickness-dependance of the ILTS with thickness of the specimens. Several authors have associated this dependency with manufacturing defects or porosity, but results are not conclusive. Therefore, the aim of this project is to analyze both numerically and experimentally the failure mechanisms involved in unfolding failure in order to demonstrate a novel idea that the onset of unfolding failure is associated with intralaminar stresses instead of the interlaminar stresses. Preliminary analyses of existing experimental results have shown a good agreement with this new hypothesis that, in most cases, unfolding failure starts with an intralaminar failure which, under the presence of sufficiently high intralaminar stresses, propagates as a delamination. This failure mechanism is called induced unfolding. The current study is based on a set of new experimental results specifically oriented to observe the effect of intralaminar failures and establish a stress criterion for predicting the induced unfolding failure loads in curved laminates. Since the failure is catastrophic and difficult to observe precisely, the experimental results are complemented by numerical simulations using FEM models, in which crack onset and its subsequent propagation (including possible migration from layers to interfaces and vice-versa) are simulated using Phase Field and Cohesive Zone Modeling approaches. Correlation between experimental and numerical results provide important proof of existence of this novel failure mechanism. Furthermore, this study presents analytical methodologies within the framework of Finite Fracture Mechanics to determine the critical loads responsible for the onset of first transverse cracks in highly curved composite laminates considering different hypotheses. Both Phase Field and Finite Fracture mechanics combine energy and strength criteria in the analysis of unfolding failure.
Toughening mechanisms in 3D printing: a numerical and experimental study
(2024-03-21) Sangaletti, Simone; García García, Israel; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
Additive Manufacturing, also known as 3D printing, is a disruptive technology which marked a substantial change in the way products are conceived both in the industrial and academic world. Thanks to this new manufacturing method, tougher components can be created by taking some precautions in the design process. This is true especially when considering one of the latest innovations in 3D printing: the continuous fiber deposition. The aim of this thesis is the study of the main toughening mechanisms that can be adopted when designing a component, whether with continuous fiber reinforcement or not. The first part is dedicated to the analysis of the influence of a continuous fiber reinforcement on the mechanical performance of the specimen, from a numerical standpoint. Experimental results are replicated in a satisfactory way and the effectiveness of the phase field model for fracture in catching the cracking phenomena for 3D printed components is demonstrated. Later, a result-driven optimization is proposed, showing how a simple optimization pipeline is able to provide a better and tougher design, given the component’s geometry and loading conditions. In this case, an anisotropic phase field formulation is adopted and various loading conditions are considered in the analysis, such as tension, shear and bending. In the last part, the toughening mechanisms are investigated experimentally on components manufactured in Onyx. It is demonstrated, through a Three Point Bending testing campaign, that simple modifications of the printing parameters, such as raster angle and stacking direction adopted, can lead to big changes in the mechanical properties of the specimen, always keeping its shape unchanged.
Phase field methods for fracture mechanics in coupled approaches
(2024-01-11) Valverde González, Ángel de Jesús; Paggi, Marco; Reinoso Cuevas, José Antonio; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
Hoy en día, los procesos industriales más innovadores no pueden prosperar sin la consideración de un punto de vista multidisciplinar aplicado a todos sus procesos. Incluso el campo de la Mecánica no se encuentra exento de ello, ya que los estudios más recientes en esta rama incorporan evaluaciones a múltiples escalas de tamaño (ejemplos multi-escala) y engloban diversas ramas como la Química, la Biología, la Electricidad y el Magnetismo, entre otras (multi-física). Esto es lo que constituye la esencia misma de un problema acoplado en la Mecánica. El objetivo principal que persigue esta tesis es explorar específicamente su impacto en la integridad estructural en el campo de la Mecánica de la Fractura. En consecuencia, es necesario establecer un marco matemático sólido para evaluar el comportamiento mecánico y la resistencia a la falla, considerando la influencia de los campos multi-escala y multi-física asociados. Para ello, hemos utilizado principalmente el método phase-field enfocado a fractura, junto con la técnica de continuum damage mechanics. Esta tesis se ha dedicado a analizar diversos problemas acoplados representativos con un enfoque en la Mecánica de la Fractura. Para ejemplificar la amplitud de este tema, esta investigación abarca un espectro diverso de temas. En primer lugar, se trata el problema de la fragilización por hidrógeno en materiales policristalinos. A continuación, se ha investigado la influencia que tienen las tensiones residuales en la integridad de tubos cilíndricos blandos. Además, se ha propuesto un marco computacional para estudiar materiales incompresibles. En el último capítulo se aplicará esta última formulación en la simulación de hinchazón en hidrogeles termosensibles.
Damage and failure mechanisms under fatigue in long fibre composites with ultra-thin plies
(2023-07-05) Sánchez-Carmona, Serafín; Barroso Caro, Alberto; Correa Montoto, Elena; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
El estudio del comportamiento a fatiga de los materiales compuestos es de gran interés en el ámbito científico debido al carácter no estático de las cargas que sufre una estructura en servicio. En los últimos años, la aparición de láminas ultradelgadas, de hasta 15 20 μm de espesor, ha tomado especial relevancia tras encontrar una explicación físicamente basada de la existencia del “efecto escala” en materiales compuestos. En este trabajo se presenta un estudio minucioso, tanto experimental como numérico, de la aparición del daño en laminados cross ply de fibra larga de carbono y resina epoxi ante carga cíclica tracción tracción, variando el espesor de la capa de 90° (desde 30 hasta 150 g/m2) con el fin de analizar si existe efecto escala a fatiga. El extenso trabajo experimental ha consistido, en primer lugar, en la caracterización de las propiedades mecánicas y térmicas de los distintos prepregs usados además del análisis del efecto de distintas condiciones de fabricación y ensayo en la vida a fatiga de laminados unidireccionales de 90° fabricados con material de espesor convencional y ultradelgado; y, en segundo lugar, en una exhaustiva observación microscópica de la aparición del daño en los distintos laminados cross ply a fatiga, variando el espesor de la capa de 90° desde espesor ultradelgado (30 g/m2) hasta convencional (superior a 120 g/m2). La aparición de un mecanismo de fallo no convencional, en concreto, despegues longitudinales a la carga aplicada, ha conllevado un detallado análisis numérico del conocido “efecto borde” al tratar con espesores ultradelgados, destacando la aparición de un estado de carga biaxial en el borde de las probetas incluso cuando únicamente existen tensiones residuales de curado. Los resultados de dicho estudio numérico han sido corroborados con tomografía computarizada 3D. Todo ello ha dado lugar a corroborar la existencia de un “efecto escala” a fatiga tras la observación de un retraso en la aparición de los distintos mecanismos de fallo cuando se usan láminas ultradelgadas con respecto a los que se producen en laminados de material compuestos con láminas de espesor convencional.
Diseño y desarrollo de ensayos ante carga biaxial transversal en material compuesto para el estudio del fallo entre fibras
(2022-04-19) Zumaquero Bernal, Patricia Lucía; Correa Montoto, Elena; Justo Estebaranz, Jesús; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
Crack arrest by curved interfaces. Experimental and numerical analysis
(2022-07-17) Aranda Romero, María Teresa; García García, Israel; Reinoso Cuevas, José Antonio; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
El estudio de la técnica para detener el crecimiento de grietas tiene una importancia considerable en la ingeniería. Una gran cantidad de aplicaciones en la industria actual requieren la implementación de tecnología de detención de grietas, incluidas tuberías de transmisión y distribución de gas, cascos de barcos, fuselajes de aviones, puentes, tanques de almacenamiento o rieles de ferrocarril, entre otros. El objetivo de esta metodología es el diseño específico de estructuras tolerantes a la presencia de defectos, es decir, donde la presencia de grietas no implique necesariamente la falla catastrófica de la estructura al propagarse. Sin embargo, la gran mayoría de estos elementos se ensamblan externamente al sistema, lo que aplica un peso adicional a la estructura. Para eludir esta práctica, se han desarrollado diseños alternativos que incorporan discontinuidades integradas en los materiales, favorables para detener y desviar grietas. El uso de interfases no implica agregar masa a la estructura para desviar la trayectoria de la grieta, lo cual es una ventaja notable en ciertas industrias donde la minimización del peso estructural es una prioridad y donde la integridad estructural general es una preocupación importante. Siguiendo esta idea, se ha explorado el diseño de un posible supresor de grietas mediante la consideración de novedosas interfaces curvas o con patrones curvos en estructuras de ingeniería. Las contribuciones más significativas relacionadas con este tema han sido evaluar su uso potencial como supresor de grietas. Para ello, se ha demostrado el fenómeno de detención de una grieta de crecimiento inestable debido a una interfaz débil curva. Las evidencias experimentales mostraron que es posible desviar e incluso detener el crecimiento de una grieta inestable mediante la introducción de una interfaz débil curva. Este hecho podría promover que las estructuras implementaran interfaces curvas en sus diseños. Junto con una gran cantidad de datos experimentales, se proporcionan comparaciones con métodos computacionales. Éstos pueden ayudar en el diseño de estructuras o al menos algunos de sus componentes de mayor tensión. Enfoques LEFM o FFM, se utilizan para explicar teóricamente el comportamiento de las grietas a lo largo de las interfaces en los componentes estructurales. Las herramientas numéricas también demuestran cómo la física y las propiedades geométricas de las interfaces afectan la propagación de grietas y distinguen entre la penetración de grietas a través de la interfaz y la deflexión de grietas más deseada a lo largo de la interfaz, entendiendo esta última como una mejora para la vida útil de la estructura. La investigación propuesta en esta tesis conducirá al diseño y fabricación novedosos de componentes de materiales compuestos mediante técnicas de impresión 3D. Un verdadero ejemplo es el caso de interfaces onduladas que pueden retrasar sustancialmente o casi suprimir el crecimiento de los fenómenos de daño en tales interfaces dentro de un rango adecuado de cargas aplicadas en aplicaciones particulares.
Crack Onset in PMMA Plates with Circular Holes by Finite Fracture Mechanics
(2021-07-22) Costa de Sousa Leite, Afonso Manuel da; Mantic, Vladislav; París Carballo, Federico; Infante Barbosa, Joaquim; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
Crack onset in Polymethyl Methacrylate (PMMA) holed plates, subjected to tensilestress, has been studied through the application of a Coupled stress and energy Crite-rion in the framework of the Finite Fracture Mechanics (CC-FFM). Different hole sizeswere tested and an expected hole size effect was observed. PMMA was tested accordingto standard procedures to obtain its elastic, viscoelastic and fracture properties.The CC-FFM was developed and implemented for several material behaviour lawsin the commercial Finite Element (FEM) code ANSYS and MATLAB, apart from theLinear Elastic one, also Non-linear Elastic and Linear Viscoelastic.A semi-analytic Linear Elastic model was obtained by using Kirsch’s formula for thecase of an infinite holed plate in tension. For finite holed plates a numerical Linear Elas-tic model and a Non-linear Elastic model, via Ramberg-Osgood approximation, weredeveloped as well. Finally, a Linear Viscoelastic model was obtained numerically viaProny series based on tensile tests performed at different strain rates. The plane stressand strain effects were considered in the present studies.Three point bending tests, flatwise and edgewise, using plain coupons (without anynotch), were carried out at different velocities. The bending strength was higher than thatobtained in the tensile tests. FEM models of those bending tests were also developedincluding the different material laws. For the Non-linear case, the Ramberg-Osgoodapproximation was either based in tensile and bending tests.A new strength value was obtained for PMMA, for each material model apart fromthe Linear one, by introducing in ANSYS the average critical test load from three pointbending tests, for the material models based in tension tests.Finally, an inverse procedure was performed, using CC-FFM, to determine the strengthand fracture properties of the material. The idea is to obtain cGccurves for severaldiameters, and their intersections will yield estimated strength and fracture material val-ues. All the three models predicted a size effect in holed specimens, although only verymoderate size effect was predicted in general by the Non-linear Elastic model. Thepredictions by the Coupled Criterion of FFM gave better predictions in the Linear Vis-coelastic case, when compared to experimental results. The Non-linear Elastic modelalso gave better predictions than the Linear Elastic model case. The assumption of anincreased strength value, justified by a random distribution of material flaws, was ofmost importance in those predictions.
Análisis experimental del comportamiento mecánico de la tierra como material de construcción
(2021-11-18) Rodríguez Mariscal, José Daniel; Solís Muñiz, Mario; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
Esta tesis tiene como objetivo proporcionar datos experimentales para el desarrollo de metodologías consistentes para la caracterización mecánica de la tierra como material constructivo. La tierra es un material de construcción tradicional utilizado a lo largo de la Historia en muchas zonas del mundo. En la actualidad, hay un importante resurgimiento de su uso por su valor ecológico y sus prestaciones arquitectónicas. Esta tesis presenta diferentes estudios sobre el comportamiento estructural de la manpostería tradicional de tierra cruda (adobe) y la tierra apisonada (tapia). Los suelos fueron recogidos en la ribera del río Guadalquivir en Sevilla (Andalucía, España) para el adobe y en las cercanías de Valverde de Burguillos (Extremadura, España) para la tierra apisonada (tapia). Estas fueron seleccionadas por un experto local en construcciones de tierra. Se llevó a cabo una caracterización mecánica basada en ensayos de compresión, ensayos de compresión diagonal, ensayos de tracción indirecta y ensayos no destructivos (ensayos sónicos y ultrasónicos). En esta Tesis se obtienen y analizan las propiedades mecánicas de resistencia a la compresión, resistencia a la tracción, módulo de Young, módulo de cizalladura, módulo de Poisson y la ley constitutiva de tensión-deformación. La tesis analiza el significado y la utilidad de diferentes estimaciones del módulo de Young y de cizalladura. Además, se propone un método simplificado para estimar las relaciones tensión-deformación. La suposición de un estado de deformación a cortante puro en los ensayos de compresión diagonal de muretes es validada a partir del análisis del campo de deformación completo medido a través del sistema DIC. Por otra parte, para los ensayos no destructivos, se desarrolla un procedimiento automatizado para el análisis de los registros experimentales y la identificación del tiempo de despegue de las ondas sónicas y ultrasónicas para facilitar la aplicabilidad de estas técnicas. Este nuevo procedimiento consiste en un sencillo algoritmo de análisis de señales que evita la laboriosa tarea de inspección manual de las señales y reduce la incertidumbre en los resultados finales. Por último, se extraen conclusiones y se discute la dirección de posibles trabajos futuros para cerrar la tesis.
Analytical and numerical predictions by LEBIM and FFM for interface cracks in composites and their joints
(2021-05-06) Muñoz-Reja Moreno, María del Mar; Távara Mendoza, Luis Arístides; Mantic, Vladislav; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
El uso de materiales compuestos en diferentes sectores industriales está adquiriendo una relevancia particular en las últimas dos décadas como consecuencia de su superioridad en la relación rigidez-resistencia, en comparación con los metales. Debido a su naturaleza compleja, el daño en los materiales compuestos depende inevitablemente de su estructura interna. En este sentido, la integridad de estos materiales está determinada, entre otras condiciones, por la durabilidad y resistencia de sus juntas adhesivas e interfaces en general. La adhesión en estas interfases debe garantizarse en varios niveles de la estructurales, es decir, en las interfaces fibra-matriz, interfaces entre capas unidireccionales en laminados, juntas entre laminados y piezas, etc. Así, una de las principales preocupaciones para diseñar este tipo de estructuras es la adecuada caracterización de las interfaces entre sólidos a micro, meso y macroescala. El Modelo Elástico Lineal de Interfases Frágiles LEBIM, propuesto por otros autores, ha demostrado ser una herramienta eficaz y rápida para predecir el inicio del daño y su propagación. Sin embargo, debido a su sencillez, tres propiedades mecánicas de la interfase están directamente relacionadas entre sí: la energía de fractura de la interfase, la resistencia a la fractura y la rigidez. Por lo tanto, si se definen dos de ellos (generalmente la tenacidad y la resistencia a la fractura), entonces también queda definida la tercera característica, lo que generalmente conduce a una inadecuada caracterización de la interfase. Otra desventaja del LEBIM es que la propagación del daño siempre debe tener un crecimiento infinitesimal, similar a la teoría de la Mecánica de la Fractura Elástica Lineal (LEFM). Sin embargo, en algunos procesos de fractura, la falla ocurre instantáneamente, lo que conduce a un crecimiento de grietas con una longitud finita. Una forma de superar estos inconvenientes es aplicar el enfoque del Criterio Acoplado de la Mecánica de Fractura Finita (CCFFM) al LEBIM, que hace que la rigidez se convierta en una variable independiente. Además, la teoría de Mecánica de Fractura Finita (FFM) asume que las grietas se forman instantáneamente con una longitud finita. El CCFFM se basa en que el criterio tensional y el criterio energético deben ser satisfecho, simultáneamente, para producir el inicio y la propagación del fallo. En consecuencia, las dos condiciones pueden proporcionar la carga crítica del fallo de la interfase y la longitud de la grieta crítica (finita). El objetivo de esta tesis es el estudio de un modelo de fallo de interfases basado en el CCFFM aplicado al LEBIM (CCFFM + LEBIM), junto con la producción de herramientas analíticas y numéricas basadas en este nuevo criterio. Además, estas herramientas se utilizan para estudiar problemas específicos en los que estén presentes los materiales compuestos y sus uniones. Las tareas que se llevan a cabo para cumplir con estos objetivos generales se describen a continuación: • Desarrollo de la formulación analítica del criterio acoplado aplicado a la LEBIM. • Implementaciones numéricas adecuadas basada en el CCFFM + LEBIM. • Estudio de casos particulares relevantes de mecanismos de daño, en forma de aparición y crecimiento de fisuras a macro y microescala por CCFFM + LEBIM. El objetivo de este punto es analizar el alcance de la metodología desarrollada en esta tesis, tanto numérica como analíticamente.
A fully physically based explanation of the scale effect in composites
(2021-05-13) Velasco López, María Luisa; Correa Montoto, Elena; París Carballo, Federico; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
The scale effect in composite materials is known as the delay in the appearance of damage in the weakest laminas of a laminate (typically laminas oriented at 90 degrees). The availability of ultra-thin plies, of up to 20 microns of thickness, has attracted the attention on this effect, as the use of these plies can imply the delay of the onset of damage at a laminate in a significant manner. In this work, an explanation of the scale effect is presented physically based on the identification of two damage mechanisms (called progressive and explosive) that can occur in the 90 degree lamina in laminates [0,90n]s. To characterize these damage mechanisms, energetic concepts of Finite Fracture Mechanics and Interface Crack Fracture Mechanics are used, without the need to use properties of difficult interpretations or fitting parameters. The numerical tool used is the Boundary Elements Method and models representing the micro level (fibre and matrix) and the macro level (lamina) have been developed, as well as multiscale models, which include both levels of representation. All the predictions obtained from the numerical models have been correlated with the microscopic observations acquired from the multiple experimental tests that have been carried out throughout this Thesis. This study extends from laminas of conventional thicknesses to ultra-thin thicknesses. Developing a physically based explanation of the scale effect is the first step towards identifying the parameters involved in the initiation and generation of the failure. Once identified, these parameters can be measured.
Closed-Form Methodology for the Structural Analysis of Composite Plates With Cutouts
(2021-01-27) Pastorino Junquero, Daniel; Blázquez Gámez, Antonio; París Carballo, Federico; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
The use of composite materials in the aerospace industry shows an increasing tendency due to its excellent specific mechanical properties. The long fibre reinforced polymers are well suited for its application in plate and shell structures. These structures are commonly weakened by cutouts of different shapes, which provide access to the internal systems and structures, allow system integration, or simply reduce the weight of the structure. These cutouts lead normally to a concentration of stresses around them, that requires a thoroughly analysis in order to provide an optimum design of the component. To this end, it is usual to perform a structural analysis on the basis of the methodologies in the existing literature: FEM, BEM and closed-form formulations. The closed-form formulations provide a simple and powerful tool for the first phases of the component's design, considering that they are well suited for the resolution of parametric analyses with a competitive amount of computational power compared to FE methodologies. However, these formulations have a limited application, since they rely on a set of hypotheses that should be taken into account, e.g. analytical formulations are solved by assuming that the plate under study is infinite in comparison with the cutout. The main objective of the present dissertation is to develop a closed-form formulation that allows the stress analysis of composite panels with cutouts, and that simulates as detailed as possible the real features that are found in aeronautical parts. In this regard, the formulation must allow, among other features, the introduction of local reinforcements, non-uniform lay-ups over the panel, and the inclusion of stiffeners.
Computational Fracture Mechanics for Reliability of Composites at the Micro and Macro Scales
(2020-07-13) Guillén Hernández, Teresa; Paggi, Marco; Reinoso Cuevas, José Antonio; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
In recent years, an increasing use of composite materials in aerospace and aeronautical applications has taken place. Fibre reinforced composites materials (FRCs) present high specific strength and stiffness ratios, which can be considered as remarkable advantages with respect to metallic materials. One of the main problems associated with the internal arrangement of fibre reinforced materials regards the numerous and complex failure mechanisms that can occur at different scales of observations. Stemming from these reasons, at present, the analysis and study of fracture in fibre composites constitutes a relevant and recurrent area of research due to the actual needs for the achievement of a higher level of understanding of such fracture phenomena. Within this context, this dissertation presents a new model to simulate fracture in FRCs with the aim of designing safe and durable aircraft structures, for instance: shells, plates or thin filmsubstrate structures. The fundamental computational model used in the present thesis was proposed in (14), devising a seminal combination of the Phase Field approach for brittle fracture and a Cohesive Zone Model for interface failure. In the current research, this computational framework is examined and validated through the numerical simulations of different applications at the micro- and macro-scales: (i) the micro-mechanical inter-fiber failure of composites, the subsequent propagation of failure through the thickness of the laminates arising a macro-crack and (ii) several macro-mechanical applications concerning advanced composite structures (shells, thin film-substrates and Functionally Graded Materials). Derived from the current predictions, it is possible to argue that the current numerical methodology is very suitable for the simulation of fracture in composites at different length scales and allows the preclusion of intricate remeshing techniques or crack tracking algorithms in conjunction with minimizing the mesh-dependent pathology due to its non-local character.
Phase-Field Modeling of Damage and Fracture in Fiber Reinforced Composites
(2020-09-30) Dean, Aamir; Reinoso Cuevas, José Antonio; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
The damage and fracture behavior of Fiber Reinforced Polymers (FRPs) is quite complex and is different than the failure behavior of the traditionally employed metals. There are various types of failure mechanisms that can develop during the service life of composite structures. Each of these mechanisms can initiate and propagate independently. However, in practice, they act synergistically and appear simultaneously. The difficulties that engineers face to understand and predict how these different failure mechanisms result in a structural failure enforce them to use high design safety factors and also increases the number of certification tests needed. Considering that the experimental investigations of composites can be limited, very expensive, and time-consuming, it is the aim of this research to develop sophisticated phenomenological material models based on the Phase-Field (PF) approach to fracture for the virtual assessment of damage and fracture of FRPs. First, an anisotropic PF model for ductile fracture of Short Fiber Reinforced Polymers (SFRPs) is developed. Then, a multi PF model based on the Puck theory of failure is proposed for Long Fiber Reinforced Polymers (LFRPs). The theoretical formulation, corresponding algorithmic treatment, and numerical implementation details of the proposed models are presented. The performance of the models is assessed via a set of standard numerical simulations demonstrating their applicability and robustness. Focusing on complex practical applications, the newly developed multi PF model is employed for the numerical simulation of delamination migration in laminated LFRPs. For this purpose, a consistent FE modeling procedure is proposed integrating the multi phase-field model for intra-laminar fracture with a Cohesive Zone Model (CZM) for inter-laminar.
Parameter estimation of dynamic systems: application to civil engineering structures
(2020-10-13) Naranjo Pérez, Javier; Jiménez Alonso, Javier Fernando; Sáez Pérez, Andrés; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
La estimación de parámetros de sistemas dinámicos se basa en inferir los parámetros del sistema a partir del conocimiento de un conjunto de entradas y salidas. En ingeniería civil, la principal aplicación es la actualización de modelos de elementos finitos, donde el objetivo es estimar sus parámetros a partir del comportamiento real de la estructura para obtener modelos fiables. Estos problemas se pueden abordar usando estimadores puntuales, enfoque Bayesiano o lógica difusa. En esta tesis se emplea el primer método, donde la estimación de parámetros se resuelve como un problema de optimización cuyo objetivo es encontrar el mínimo de una función que representa el error. Para resolver estos problemas, los algoritmos metaheurísticos constituyen la opción más empleada, gracias a su facilidad para hallar el óptimo global de funciones no lineales y a su independencia del valor inicial de los parámetros de la función. El principal inconveniente de estos algoritmos es su alto coste computacional. Por ello, en esta tesis se proponen dos algoritmos de optimización eficientes para la estimación de parámetros. En la primera parte de esta tesis, para caracterizar el rendimiento de algoritmos existentes, se comparan los resultados dados por tres de ellos: algoritmos genéticos, algoritmo de enjambre de partículas y algoritmo harmony search. Los resultados avalan a éste último como el más eficiente. Además, también se comparan los dos enfoques del problema de optimización, con funciones de un único objetivo o multiobjetivo, siendo el segundo enfoque el que presenta mejor precisión y menor coste computacional. Las dos propuestas de esta tesis están basadas en el algoritmo harmony search multiobjetivo. El primero consiste en un algoritmo híbrido que resulta de la combinación de éste con un algoritmo local llamado unscented Kalman filter. Su validación se lleva a cabo mediante la actualización del modelo de elementos finitos de una pasarela de laboratorio y también se aplica para la estimación de los parámetros del modelo dinámico de Winkler de una pasarela real. El segundo algoritmo consiste en un proceso colaborativo donde se unifica el algoritmo harmony search con dos técnicas: el análisis de componentes principales y las redes neuronales. Este proceso permite no solo reducir el tiempo de simulación, sino también resolver el problema de toma de decisiones de manera automática. La validación se lleva a cabo mediante la actualización del modelo de una pasarela, comparando los resultados con los que se obtendrían empleando técnicas convencionales.
Mechanical behaviour of structured joints in 3D printed composite components: experimental, analytical and numerical study
(2020-06-10) García Guzmán, Lorenzo Francisco; Reinoso Cuevas, José Antonio; Távara Mendoza, Luis Arístides; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
Joining mechanisms become specially relevant in structures where multiple parts are involved, for instance in the automotive or the aerospace sectors. Hence, the efficiency of these connections, which generally correspond to the weakest component of the system in many problems, can determine the performance, the resistance and the integrity of the whole structure. The development of high strength-to-weight ratio materials such as the Fibre-Reinforced Polymers (FRPs) leaded to the extensive use of the adhesive joints at the expense of mechanical fasteners like rivets or bolts due to the some advantages such as a superior fatigue life, lightweight or multi-material assemblies, among others. Additionally, novel strategies regarding the fiber-reinforced composite manufacturing have emerged with the advent of 3D printing techniques, which allows complex geometries to be produced. This freedom of design can be skilfully exploited to create more efficient joints and to increase the overall structure performance. This thesis encompasses a careful investigation of the potential routes to enhance the fracture resistance in adhesively bonded joints in 3D printed fiber-reinforced composite parts by means of patterned or structured interfaces. That is, improvements of the mechanical properties are achieved by geometrically modifying the bondline during the crack propagation. Three different perspectives were envisaged herein: • Experimental: structured interfaces were manufactured in hybrid specimens, which include nylon and glass-fiber composite (GFC) laminates, employing Additive Layer Manufacturing (ALM). Specimens equipped with structured interfaces exhibiting different aspect ratios, i.e. the ratio between the amplitude and the wavelength of the geometrical pattern, were used in Double Cantilever Beam (DCB) tests in order to obtain empirical evidences of the fracture resistance improvement with respect to the baseline flat or straight configuration. • Analytical: a simplified semi-analytical method was developed in order to understand the fracture toughness enhancement with the aspect ratio of the pattern, as was obtained in the experimental campaign. Numerical: Finite Element (FE) models were developed to simulate the crack onset and propagation in the Double Cantilever Beam specimens with structured interfaces through the employment of cohesive elements along the interface region. These simulations allowed the fracture conditions to be understood more accurately. Moreover, a novel variable based on J-Integral was proposed to calculate the energy release rate regardless the interface geometry for the purpose of comparing properly the different patterns. Finally, the Linear Elastic Brittle Interface Model (LEBIM), a constitutive model to represent abrupt failure for delamination and debonding processes, was adapted to the finite displacement and rotation formulation by means of a user-defined routine in the FE code ABAQUS®. This brittle model was employed in various FE tests experiencing mixed-mode fracture conditions such as Mixed Mode Bending (MMB), End Notch Flexure (ENF), Horizontal Drum Peel (HDP) or hierarchical-structured interface Double Cantilever Beam tests.
Scoping prediction of ground and building vibrations induced by railway traffic.
(2019-06-21) López-Mendoza, Daniel; Galvín, Pedro; Romero Ordóñez, Antonio; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
The research proposed in this Thesis approaches induced vibrations by railway traffic at the soil surface and buildings close to the track. It is proposed a scoping model to predict the vibration levels in the free-field and nearby buildings in minimal time, using metrics compatible with international standards. The methodology considers soil stiffness, the combination of both the dynamic and static forces generated due to train passage and the Soil-Structure Interaction ( SSI ). The proposed model assumes the train-track-soil interaction (source-propagation problem) is decoupled from the soil-structure interaction (immission problem), then it is divided into two submodels. The sub-model to assess free-field vibrations (train-track-soil system), uses the direct stiffness method to compute the soil Green’s function, and a novel two-and-a-half dimensional (2.5D) finite element strategy for the train-track interaction. The soil Green’s function is modulated using a Neural Network ( NN ) procedure to save the time consuming computation of track-soil coupling. On the other hand, two SSI sub-models to estimate building vibrations by railway traffic are proposed. The first SSI sub-model computes structural vibration levels using modal superposition, whereas an alternative SSI sub-model based on soil-structure transfer functions, is also presented. The sub-model to assess soil vibrations is validated by comparing track receptance, free-field mobility and free-field vibration with both measurements and a more comprehensive 2.5D coupled Finite Element Method ( FEM )-Boundary Element Method ( BEM ) model. Moreover, both SSI sub-models are validated by comparing results against a more complex 3D FEM - BEM model. The results show that the scoping model provides a powerful tool to use during the early design stages of a railway system when multiple scenarios require analysis.
Identification of singularities in the displacement field for damage detection in structures
(2019-06-18) Ma, Qiaoyu; Solís Muñiz, Mario; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
In this thesis, the damage identification problem in beam-type structures through displacement field and the relevant challenges are studied. The exploration includes one damage localization approach using mode shapes and two damage identification methodologies based on static meas-urements. The premise is that concentrated cracks introduce singularities in the displacement fields. The first study on the detecting and locating damage using mode shapes with wavelet analysis is called the Mode Shape-Wavelet approach. The focus is to enhance the sensitivity of the wave-let coefficient to damage. An auxiliary mass was used in the experimental tests to probe the dy-namic characteristics of the beam. The wavelet coefficient of all mode shapes and mass locations are combined as the damage localization indicator. Additionally, a weighting parameter which evaluates the noise effect is formulated into the calculation. The approach is tested with experi-mental mode shapes of a cantilever beam obtained by a set of accelerometers. The investigation using static measurements is based on the deflection difference of the beam prior and posterior to damage. The associated state of the damaged beam that can produce the deflection variation is derived through a superposition scheme and named the Incremental State. Two damage identification methodologies are explored, namely the Deflection-Spring approach and the Deflection-Wavelet approach. The Deflection-Spring approach models the cracks by dis-crete rotational springs and locates them by finding the sudden change in the slope of the deflec-tion difference. Furthermore, the crack depths are estimated through a spring characteristic func-tion. In order to obtained reasonable slope change, a trend estimation for denoising purpose is needed. The Deflection-Wavelet approach locates the damage with a localization index based on the normalized wavelet coefficient for different scales and estimates the damage with a quantifi-cation index developed from the Lipschitz condition. Both methods are tested with experimental data of a simply supported beam. In addition, relevant issues regarding the application in statical-ly indeterminate beams are discussed. The static deflections of the structure in the laboratory tests were measured by a Digital Image Correlation (DIC) system. In the test, a procedure to obtain the whole displacement field of the structure by using partial measurements was explored. The measurements validate this procedure which can facilitate the application for in situ measurement of large scale structures. Lastly, conclusions are drawn and the direction of possible future work is commented to close the thesis.
Estudio de defectos topológicos en grafeno mediante un método no lineal basado en el potencial LCBOP
(2019-06-11) Arca Cebrián, Francisco; Ariza Moreno, María del Pilar; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
En la presente tesis doctoral se presenta un estudio sobre cómo distintas configuraciones de dislocaciones y bordes de grano afectan a las propiedades del grafeno. Para ello se ha desarrollado un modelo lineal de constantes de fuerza interatómicas para el grafeno basado en el potencial LCBOPII [56] y la teoría discreta de dislocaciones de Ariza y Ortiz [3], que permite la introducción y estudio analítico de dislocaciones en las redes cristalinas, y ha sido particularizada para el grafeno [6]. Con el objetivo de obtener las posiciones atómicas de equilibrio de las redes con defectos y su correspondiente energía, se ha programado con el software LAMMPS un algoritmo no lineal que combina la relajación de la red con dinámica molecular con la minimización de la energía de la red con el gradiente conjugado. Este algoritmo hace uso de la primera versión del potencial LCBOP [55], implementada en LAMMPS. Se ha estudiado cómo evoluciona la topología y la energía de redes de grafeno con dislocaciones distribuidas de distintas formas, tanto en una sola lámina como en configuración bicapa, hallando en general resultados similares a los de la literatura disponible cuando los defectos están aislados. Sin embargo, se ha comprobado que ciertas configuraciones de dipolos de dislocación periódicamente distribuidos provocan twinning en grafeno, siendo ésta la primera vez que se ha observado este tipo de formación en una lámina de grafeno. Por ello, se ha evaluado la estabilidad térmica y transmisión electrónica de este tipo de configuraciones, usando para esto último la metodología presentada en Ref. [60]: la formulación de Landauer-Büttiker en combinación con un potencial tipo tight binding [99]. Por otro lado, se ha realizado un estudio similar de los defectos más comunes en materiales policristalinos, los bordes de grano. El estudio se ha centrado en las configuraciones asimétricas, pues son las más complejas y han sido menos tratadas. Además, son este tipo de bordes de grano los únicos que pueden abrir en el grafeno una banda prohibida de amplitud suficiente como para que el material pueda ser usado en el diseño de nanotransistores [104]. Por último, los modelos lineal y no lineal se han combinado con el método de elementos finitos BBM [12] para estudiar cómo la densidad de defectos Stone-Wales presente en la red de grafeno afecta a su rigidez.
Microstructural analysis of heated ultra-high-performance fibre-reinforced-concrete under cyclic loading.
(2019-04-08) Ríos Jiménez, José David; Cifuentes-Bulté, Héctor; Universidad de Sevilla. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
Concrete is currently the structural material more used in civil engineering and building construction. Nowadays, the application of the technological advances of the chemical industry in the processes of concrete manufacture, as well as the addition of fibres as reinforcement of the cementitious matrix, has meant a significant improvement in the mechanical and fracture behaviour of these materials. High performance and especially, ultra‐high‐performance concretes are examples of such advances. One of the advantages of the use of concrete as structural material is its high resistance in fire situations compared to other types of materials, like steel. However, the maximum service temperature of structural concrete is essentially limited by the internal damage caused by them. This thermal damage is evidenced by the generation of cracks on the border of the pore matrix, as a consequence of the pressure inferred by the evaporation of the free water and dehydration of the compounds arisen from the cement hydration. One of the alternatives to mitigate the thermal damage of the cementitious matrix is the addition of polymer fibres, which are melted at relatively low temperatures (approximately 160 oC). The melting of the fibres generates a network of micro‐channels that allow the evacuation of the evaporated water more efficiently, so that the pressure inside the pores of the matrix is reduced and consequently the thermal damage. Another alternative is the use of steel fibres as reinforcement of the concrete matrix. The presence of steel fibres, well‐distributed and in the right amount, hinders the free crack propagation because they act as barriers. Nevertheless, the addition of fibres generates a greater heterogeneity of the matrix that can induce the alteration of its microstructure and affect the mechanical and fracture properties of concrete. This effect, together with the high packing density of high‐performance concrete and, more significantly in ultrahigh‐ performance concrete, leads to the thermal damage produced in the matrix of the material must be conveniently analysed using the appropriate techniques, like the computed tomography. In some applications, the concrete elements must bear thermal and mechanical loads simultaneously at moderately temperatures, but for long periods of time. In these cases, the microstructure of the matrix, as well as its degradation by thermal damage, is closely related to the mechanical strength and fracture behaviour of the material. In other applications, concretes are subjected to cyclic thermo‐mechanical loads that entail the generation and propagation of cracks as a result of thermo‐mechanical fatigue. The reinforcement of concretes with a high number of steel fibres, as in the case of ultrahigh‐performance concretes, allows to reach very high values of the tensile and flexural strength. Thus, it is possible to reduce or dispense the use of prestressed reinforcement in those applications where it is necessary that the material resists high tensile stress without cracking. In all these cases, the analysis of the macro‐mechanical behaviour (mechanical and fracture properties) and its time evolution is closely related to the microstructure of the material and the mechanisms produced in the micro‐scale by the addition of fibres, the thermal degradation and the crack growth by cyclic loading. This thesis begins with the study of the microstructural behaviour and its effect on the macroscopic properties of high‐strength concrete reinforced with polypropylene fibres of different length and subjected to high temperatures (Chapter 2). The discussion focuses on the connection between the microstructure and the mechanical and fracture properties of the different concretes. In the Chapter 3, it is analysed the effect that the addition of different steel fibres has in the microstructure of an ultra‐high‐performance concrete and to determine its influence on the microstructure and the mechanical and fracture properties. In the next chapter, it is analysed the effect of temperature on the internal structure of the ultra‐high‐performance concrete of Chapter 3, as well as the influence of thermal damage on its mechanical and fracture properties. Chapter 5 focuses on the validation of a fatigue failure probability model in compression developed by Saucedo et al., for its application in flexural fatigue tests on high and ultrahigh‐ performance fibre‐reinforced concrete and the evaluation of the effect of fibres on the model parameters. Finally, in Chapter 6, the fatigue behaviour of an ultra‐highperformance concrete subjected to different temperatures is analysed by determining the Wöhler curves through a fatigue failure probability model developed by Castillo and Fernández‐Canteli. All the analysis carried out have focused on relating the effect of thermal damage and the influence of fibres on the microstructure, with the obtained macro‐mechanical properties.

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