UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID COMPORTAMIENTO DE COMPONENTES ESTRUCTURALES

(1)

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

COMPORTAMIENTO DE COMPONENTES ESTRUCTURALES

BAJO CARGAS IMPULSIVAS

(2)

ÍNDICE

1. Introducción

2. Clasificación de los ensayos

3. Necesidad de los ensayos dinámicos

4. Ensayos a velocidades de deformación medias

5. Ensayos a altas velocidades de deformación

6. Ensayos de tolerancia al daño

Índice

(3)

E₁, E₂, E₃ G₁₂, G₁₃, G₂₃

ν₁₂, ν₁₃, ν₂₃

Materiales compuestos de tipo

laminado

Materiales compuestos de tipo

laminado

Propiedades elásticas

X, Y, Z X’, Y’, Z’ S₁₂, S₁₃, S₂₃

Propiedades resistentes

(4)

Anisotropía _Fragilidad Fenómenos de daño complejos

INTRODUCCIÓN

Características distintivas de los ensayos

sobre materiales compuestos

(5)

Lámina Laminado

Elementos estructurales Subcomponentes

estructurales Componentes

estructurales Estructuras

completas

Constituyentes

Niveles de complejidad

(6)

Lámina

Laminado

Elementos estructurales Subcomponentes

estructurales Componentes

estructurales Estructuras

completas

Constituyentes

Ensayos de caracterización

Niveles de complejidad

INTRODUCCIÓN

(7)

Importancia de los ensayos

INTRODUCCIÓN

Lámina

Laminado

Elementos estructurales Subcomponentes

estructurales Componentes

estructurales Estructuras

completas

Constituyentes Laminado

• Desarrollo de nuevos materiales • Control de calidad

(8)

Índice

(9)

Tracción

Compresión

Cortadura plana

Cortadura interlaminar

CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS

(10)

Flexión

Ensayos multiaxiales Ensayos de fractura

(11)

En función de la velocidad de

deformación

En función de la velocidad de

deformación

La respuesta es local Se emplean dispositivos

pirotécnicos Ensayos a muy

altas velocidades

Aparecen fenómenos de propagación de ondas

Se emplean dispositivos como la barra Hopkinson, cañon de gas

Ensayos a altas velocidades

En algunos casos es posible usar las fórmulas de resistencia de materiales

La respuesta de la estructura es global

Se realizan en equipos como el péndulo Charpy o la torre de caída de peso

Ensayos a

velocidades medias

Se pueden emplear fórmulas de Resistencia de Materiales

Se realizan, en general, en máquinas universales de ensayo Ensayos estáticos Observaciones Ensayos 1 1 s 10− −

< εo 1 2 1 s 10 10− <εo< −

1 4 2

s 10 10 <ε< −

o 1 4 s 10 − > εo o ε

(12)

En función de la velocidad de

deformación

En función de la velocidad de

deformación

Cañón de gas

Barra Hopkinson Péndulo

Charpy Torre de caída

de peso

Máquina Servohidráulica de alta velocidad

Máquina Servohidráulica Máquina

Electromecánica

Velocidad de deformación (s1₎ 10-2

10-1 ₁ ₁₀ ₁₀2 ₁₀3 ₁₀4 ₁₀5

10-2 ₁₀-4 ₁₀-6

1

(13)

Índice

(14)

Características distintivas de los

ensayos dinámicos

Características distintivas de los

ensayos dinámicos

Necesidad de tener en cuenta efectos inerciales en el estudio

Mayor complejidad mecánica de los dispositivos

Mayores niveles de ruido en la señal registrada

Dificultad para interpretar los datos

Ausencia de normativa

NECESIDAD DE LOS ENSAYOS DINÁMICOS

(15)

NECESIDAD DE LOS ENSAYOS DINÁMICOS

Influencia de la velocidad de aplicación de la carga en las propiedades mecánicas

(16)

Índice

(17)

ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN

Péndulo Charpy

Tipos de ensayos

- Flexión - Tracción

Torre de caída de peso

Tipos de ensayos

- Flexión - Tracción

- Flexión biaxial

Dispositivos empleados

(probeta con entalla) Izod

Charpy

(18)

Péndulo Charpy

Martillo

Probeta

θ_o ₍ ₎

o o L 1 cos

h = ⋅ − θ

V_o

(19)

Péndulo Charpy

Detalle del martillo y el dispositivo de apoyo Péndulo Charpy

Apoyos

(20)

Péndulo Charpy

Tiempo

Fuerza

Percutor instrumentado

Medida fuerza

No se suele realizar de forma directa

Medida desplazamiento

(21)

Torre de caída de peso

h_o

V_o

Percutor

Probeta

(22)

Util de flexión en tres puntos

Torre de caída

(23)

Tiempo

Fuerza

Torre de caída de peso

Percutor instrumentado Extensómetros

•LVDT •Ópticos

Tiempo

Desplazamiento

Medida fuerza Medida Desplazamiento

(24)

PROPIEDADES:

•

Resistencia mecánica a flexión

•

Energía absorbida hasta rotura

•

Estimación de la rigidez a flexión

GEOMETRÍA DE PROBETAS

Ensayo de flexión

Configuración Charpy/3-puntos

Configuración Izod

L/h > 32, 40, 60

(25)

Fuerza

Desplazamiento Tiempo

Energía

Integración

Péndulo Charpy V₀ F a m·g x Tiempo Fuerza

Ensayo de flexión

Interpretación de resultados

Ensayo de flexión

Interpretación de resultados

∫

−

= t

0

0 a(t)dt

v ) t ( v dt dt ) t ( a v ) t ( x t 0 t 0 0

∫

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − =

∫

⎟⎟_⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = t 0 t 0

0 a(t)dt dt

(26)

Tiempo Fuerza Fuerza Desplazamiento Tiempo Energía Integración

Torre de caída de peso

m·g F a x V₀ a

Ensayo de flexión

Interpretación de resultados

Ensayo de flexión

Interpretación de resultados

m g m ) t ( F ) t (

a = − ⋅

∫

−

= t

0

0 a(t)dt

v ) t ( v dt dt ) t ( a v ) t ( x t 0 t 0 0

∫

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − =

∫

⎟⎟_⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = t 0 t 0

0 a(t)dt dt

(27)

0 200 400 600 800 1000 1200

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012

20ºc -60ºc -150ºC

Fo rc e ( N )

Displacement at mid-span point (m)

0 1 2 3 4 5 6 7

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005

20ºC -60ºC -150ºC

A b so rb ed en er g y ( J ) Time (s)

Ensayo de flexión sobre laminado unidireccional carbono/epoxi

Ensayo de flexión

Ejemplo

(28)

• ASTM D256-81. Test for Impact Resistance of Plastic and Electrica Insulatin Materials

• ASTM D5420-98ª. Standard Test Method for Impact Resistance of Flat, Rigid Plastic Specimen by means of a Striker Impacted by Falling Weight.

• ISO 180:2000. Plastic-Determination of Izod Impact Strength

• ISO 179-2000. Plastic- Determination of Charpy impact properties

No existe normativa específica. Se puede emplear la existente para materiales poliméricos

Ensayo de flexión

Normativa

(29)

PROPIEDADES:

•

Energía absorbida hasta rotura

Ensayo de flexión biaxial

(30)

ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Integración Tiempo Fuerza Tiempo Energía

Ensayo de flexión biaxial

Interpretación de resultados

Ensayo de flexión biaxial

Interpretación de resultados

dt dt ) t ( a v ) t ( x t 0 t 0 0

∫

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − =

∫

⎟⎟_⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = t 0 t 0

0 a(t)dt dt

v ) t ( F ) t ( E m g m ) t ( F ) t (

a = − ⋅

∫

−

= t

0

0 a(t)dt

(31)

Ensayo de flexión biaxial

Interpretación de resultados

Ensayo de flexión biaxial

Interpretación de resultados

• Rebote perfectamente elástico del material

τ₀= E_máx E_máx> E* ₌ ₀

• El percutor produce daño en el laminado

τ₀= E_máx E_máx> E* _{> 0}

• El percutor perfora el laminado

τ₀= E_máx E_máx= E*

Energía perdida debida a los fenómenos de rotura Energía recuperada debida al comportamiento elástico Tiempo Energía E_máx E* t*

En t = t* finaliza el contacto probeta-percutor

(32)

Laminado 0/90

Tejido

Ensayo de flexión biaxial

Ejemplo

Ensayo de flexión biaxial

Ejemplo

Laminado carbono-epoxi 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

0 1 2 3 4 5 6 7

ENERGIA DE IMPACTO (J)

EN ER GI A A B SOR B ID A (J ) 20ºC -60ºC -150ºC

(33)

(34)

Ensayo de tracción

(35)

PROPIEDADES:

•

Resistencia mecánica

•

Deformación a rotura

Ensayo de tracción

Tiempo

Fuerza

Integración

Fuerza

(36)

Índice

(37)

ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN

Barra Hopkinson/ Máquina Universal de ensayos

Tipos de ensayos

- Tracción - Compresión - Cortadura - Flexión

Cañón de gas

Tipos de ensayos

- Ensayos balísticos

(38)

Barra Hopkinson (Tracción)

Barra incidente

Barra transmisora Utiles

de amarre

Probeta

ε_i

ε_t

(39)

Barra Hopkinson (Tracción)

PROPIEDADES:

•

Resistencia mecánica

•

Deformación a rotura

FUENTE DE C.C.

ACONDICIONADOR DE SEÑAL

OSCILOSCOPIO ORDEDADOR Barra incidente Barra transmisora

Puente de bandas extensométricas

Probeta instrumentada

(40)

Ensayo de tracción

Interpretación de resultados

Ensayo de tracción

Interpretación de resultados

Medida de la tensión

Se calcula mediante la teoría de propagación de ondas elásticas unidimensionales

Registro de deformaciones en las barras

( )

p t b b A t E A ) t ( = ⋅ ⋅ε σ

Medida de la deformación

• Medida directa a través de galgas extensométricas colocadas sobre la probeta • Cálculo de la teoría de ondas

( )

_ε

_{( )}

₌ _ε _τ _⋅ _τ

ε ⋅ ⋅ =

ε t

∫

( ) d

(41)

Barra Hopkinson (Flexión)

Bandas Extensométricas

Proyectil Amortiguador

Útil Apoyo Probeta

Barra Incidente

Cámara

(42)

Barra Hopkinson (Flexión)

Medida de la fuerza

Se calcula mediante la teoría de propagación de ondas elásticas unidimensionales

Registro de deformaciones en la barra incidente

( )

t E

A ) t (

F = _b ⋅ _b ⋅ε_t

•Extensómetros ópticos •Cámaras de alta velocidad

Medida Desplazamiento

Fuerza

(43)

Cañón

PROPIEDADES:

• Límite balístico

• Profundidad de penetración

GEOMETRÍA DE LAS PROBETAS

a

Medidores de velocidad

Probeta

Cámaras

Cañón de gas

Ensayos balísticos

(44)

Ensayos balísticos

V_impacto V_residual

Límite balístico

Energía cinética inicial (J)

Energía cinética

residual (J)

(45)

Tejido Laminado

cuasi-isótropo

Laminado carbono/epoxi

•Temperatura: -60º C

•Velocidad: 1530 km/h

•Energía: 156 J

Ensayos balísticos

Ejemplo

Ensayos balísticos

Ejemplo

(46)

Índice

(47)

ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO

Ensayos de generación de daño

Ensayos biaxiales

Ensayos balísticos Ensayos en torre

de caída de peso

Fases del ensayo

Ensayos de evaluación de daño

Ensayos no

destructivos resistencia residualEnsayos de

(48)

Un impacto de baja energía no produce, generalmente, la rotura del laminado. El material todavía retiene la capacidad de soportar cierta carga, a pesar de haber sufrido un cierto daño, sea interno o superficial.

Ensayos de generación de daño

Impacto

(49)

La capacidad de resistencia de un material dañado puede medirse ensayando bajo cualquier estado de carga: Tracción, compresión, flexión o fatiga.

Ensayos de resistencia residual

Energía de impacto (J) Energía de impacto (J)

(50)

Ensayo CAI

La compresión es el estado más desfavorable

Ensayo de compresión después de impacto ( CAI: Compresion After Impact )

P

(51)

Resistencia a compresión en función de la energía de impacto

Ensayo CAI

No visible Visible

en lado opuesto

Visible

Energía de impacto Resistencia a

compresión

(52)

Placa superior

Probeta

Soporte

PROPIEDADES QUE SE MIDEN:

• Resistencia residual a compresión

GEOMETRÍA DE LAS PROBETAS

Método CAI NASA Reference Publication 1092

254-317 mm

178 mm

Ensayo CAI

(53)

Ensayo CAI

Normativa

Ensayo CAI

Normativa

• NASA Reference publication 1092. Standard test for

toughened resin composites

• Boeing Standard Specifcation BSS7260, 1982

• DERA TR88021, ( CRAG method), 1988

Métodos de ensayo muy similares

• Geometría de probeta

(54)

Sjöblom y Hwang (1989)

(55)

Tiempo (ms)

Fuerza (kN)

Energía de impac

to (J)

Ensayo CAI sobre tejido vidrio/epoxi

Ensayo biaxial de daño a 5J Ensayo CAI

Energía de impacto (J)

Resistenci

a normalizada

a compresión