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CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE ESTRUCTURAS HONEYCOMB CON IMPLEMENTOS DE ESPUMAS Y FLUIDOS DILATANTES ANTE IMPACTOS DE BAJA VELOCIDAD.

MATEO MIRA DELGADO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTA D.C., COLOMBIA2016

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CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE ESTRUCTURAS HONEYCOMB CON IMPLEMENTOS DE ESPUMAS Y FLUIDOS DILATANTES ANTE IMPACTOS DE BAJA VELOCIDAD.

Proyecto de tesis para la obtención del título de pregrado en ingeniería mecánica

Presentado por: MATEO MIRA DELGADO

Profesor Asesor: JUAN PABLO CASAS RODRÍGUEZ, PhD

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTA D.C., COLOMBIA2016

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Nota de aceptación: ------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------ ------------------------------------------------------

Firma del asesor

Firma del jurado

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DEDICATORIA A mi padre. Gracias por mostrarme el camino y alentarme a seguir por más duro que este fuera, tus enseñanzas, consejos, amor y apoyo han hecho esto posible. A mi madre. Gracias por ese amor tan infinito, por la familia que tan duro has trabajado para mantener unida y hacernos a todos sentir amados siempre. A mis hermanos. Ustedes fueron los primeros en pasar por aquí, me gusta la idea de que los tres lo logramos. Gracias por su apoyo y cariño. A mis amigos. Todos los que de alguna manera tuvieron que ver en este proceso y conmigo pasaron por todas las etapas y sentimientos que produjo. A ti. Gracias por tu apoyo y paciencia a lo largo de todo este proceso.

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AGRADECIMIENTOS Gracias al profesor Juan Pablo Casas, gracias por las enseñanzas, las clases, los retos, tanto dentro como por fuera de la clase pues son estas cosas la que me permitieron crecer como persona y profesional. Gracias a los profesores por todas sus enseñanzas y por compartir este proceso conmigo. Gracias a los técnicos y auxiliares de los laboratorios, su ayuda, su apoyo, su opinión y su participación en la práctica de la profesión, hizo del proceso de aprendizaje uno ameno, seguro y confiable. Finalmente queda agradecer a todo el personal del departamento de Ingeniería Mecánica, su trabajo y entrega al mismo hace del departamento algo único.

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RESUMEN

En este trabajo se estudia y caracteriza el comportamiento y la respuesta que tiene una estructura de celdas hexagonales de tipo de núcleo Honeycomb de aluminio con injertos de espumas de poliuretano flexible los cuales sirven como medio de transporte y almacenamiento de Fluidos Dilatantes. Esta caracterización se hace por medio de un estudio dinámico y estático, utilizando pruebas de compresión a una velocidad específica, se analizó el efecto y la capacidad de estas estructuras con sus aditivos para absorber energía. El diseño de las espumas se basó en trabajos previos realizados en la universidad que utilizaban como base las optimizaciones de Taguchi, mediante los cuales se logró obtener una nueva fórmula que permitiera que estos experimentos fueran replicables y se pudiera llevar a cabo la elaboración de espumas. Dichas espumas con propiedades mecánicas establecidas y que le permitieran la construcción de refuerzos par estructuras tipo Honeycomb como también la capacidad de almacenar Fluidos Dilatantes para mejorar la absorción de energía de las mismas. En el presente se realizaron estudios a estructuras que incluyen las siguientes: Honeycomb, Honeycomb en sándwich, Honeycomb con espuma de poliuretano, Honeycomb con espuma en sándwich y Honeycomb con espuma y Fluidos Dilatantes. Por medio de una deformación a velocidad de 25 mm/min se estimó el comportamiento cuasi estático de estas llegando así a entender el comportamiento de cada componente sin cambios dinámicos en el sistema; luego por medio de la medición de altas tasas de deformación por impacto (DWIT) se encontró el esfuerzo de Plateu y su aumento causado por los aditivos que tiene la estructura. Los resultados demostraron que: en condiciones cuasi estáticas los resultados sugieren que la adición de estos materiales incrementa el esfuerzo de Plateu y la capacidad de las probetas para absorber y disipar energía, y que esta es aún mejor cuando se encuentra en la configuración tipo sándwich y en condiciones dinámicas, las probetas con configuración tipo sándwich tienen un aumento precipitado del esfuerzo de Plateu. Lo anterior sugiere que, al imponer esta restricción de salida del aire, este juega un papel importante en la disipación de energía y en el proceso de compresión de la probeta.

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Contenido

1. Introducción .......................................................................................................................... 11

1.2 Alcance ........................................................................................................................... 12

1.3 Objetivos ............................................................................................................................ 13

1.3.1 Objetivo General ......................................................................................................... 13

1.3.2 Objetivos Específicos .................................................................................................. 13

2. Marco Teórico ....................................................................................................................... 14

2.1 Introducción ........................................................................................................................ 14

2.2 Estructuras tipo Honeycomb .......................................................................................... 14

2.2.1 Mecánica del Honeycomb .......................................................................................... 16

2.2.1.1 Condiciones cuasi estáticas..................................................................................... 16

2.2.1.2 Condiciones cuasi dinámicas .................................................................................. 17

2.3 Honeycomb con estructura tipo sándwich .................................................................... 18

2.4 Honeycomb con relleno de espumas poliméricas ......................................................... 19

2.5 Espumas ......................................................................................................................... 19

2.6 Fluidos Dilatantes (Shear Thickening Fluids) .................................................................. 19

3. Metodología .......................................................................................................................... 21

3.1 Introducción ................................................................................................................... 21

3.2 Especificaciones del Honeycomb ................................................................................... 21

3.3 Especificaciones de la espuma de poliuretano .............................................................. 21

3.4 Placas monolíticas de aluminio ...................................................................................... 24

3.5 Adhesivo ......................................................................................................................... 25

3.6 Relleno del Honeycomb con espuma de poliuretano .................................................... 26

3.6.1 Etapa uno ........................................................................................................................ 26

3.6.2 Etapa dos ......................................................................................................................... 27

3.6.3 Etapa tres ........................................................................................................................ 28

3.7 Elaboración de las probetas tipo sándwich ................................................................... 29

3.7.1 Probetas de solo honeycomb ......................................................................................... 29

3.7.2 Probetas con relleno de espuma .................................................................................... 30

3.8 Elaboración de las probetas con espuma y Fluidos Dilatantes ...................................... 31

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3.9 Experimentación ............................................................................................................ 32

3.9.1 Pruebas cuasi-estáticas............................................................................................... 33

3.9.2 Pruebas dinámicas ...................................................................................................... 33

4 Resultados ............................................................................................................................. 35

4.1 Introducción ................................................................................................................... 35

4.2 Prueba de composición química .................................................................................... 35

4.3 Pruebas cuasi-estáticas .................................................................................................. 36

4.3.1 Compresión del Honeycomb ...................................................................................... 36

4.3.2 Compresión del Honeycomb en sándwich ................................................................. 37

4.3.3 Compresión del Honeycomb con espuma de poliuretano ......................................... 38

4.3.4 Compresión del Honeycomb con espuma de poliuretano en sándwich.................... 39

4.3.5 Compresión del Honeycomb con espuma de poliuretano y Fluidos Dilatantes ........ 40

4.4 Pruebas dinámicas ......................................................................................................... 41

4.4.1 DWIT del Honeycomb ................................................................................................. 41

4.4.2 DWIT del Honeycomb en sándwich ............................................................................ 42

4.4.3 DWIT del Honeycomb con espuma de poliuretano ................................................... 43

4.4.4 DWIT del Honeycomb con espuma de poliuretano en sándwich .............................. 44

4.4.5 DWIT del Honeycomb con espuma de poliuretano y Fluidos Dilatantes ................... 45

5 Análisis de Resultados ........................................................................................................... 46

5.1 Introducción ................................................................................................................... 46

5.2 Caracterización cuasi estática. ....................................................................................... 46

5.3 Caracterización dinámica ............................................................................................... 47

5.4 Comparación entre caracterizaciones ........................................................................... 48

6 Conclusiones ......................................................................................................................... 49

7 Recomendaciones y trabajo futuro ...................................................................................... 50

Bibliografía .................................................................................................................................... 51

Anexos ........................................................................................................................................... 55

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LISTA DE FIGURAS Figura 1 Curva típica de esfuerzo vs deformación [5]. ................................................................. 16

Figura 2 Módulo en Y en parte del Honeycomb y módulo aislado. [7] ........................................ 17

Figura 3 Geometría global del modelo de falla en doblez [7]. ..................................................... 17

Figura 4 Proceso y formulación de espumas [29]. ........................................................................ 22

Figura 5 Primeros ensayos de reproducción del proceso de espumado. ..................................... 22

Figura 6 Evidencia de discontinuidades en la espuma ................................................................. 23

Figura 7 Proceso de producción de espuma de poliuretano desarrollada. .................................. 24

Figura 8 Espumas exitosas. ........................................................................................................... 24

Figura 9 Laminas para sándwich terminadas. ............................................................................... 25

Figura 10 Imagen del pegante utilizado ........................................................................................ 26

Figura 11 Montaje para el crecimiento de espuma dentro del Honeycomb ............................... 26

Figura 12 Proceso de crecimiento de espuma dentro del Honeycomb. ...................................... 27

Figura 13 Etapa final del crecimiento de la espuma en el Honeycomb ....................................... 28

Figura 14 Proceso de remoción de exceso de espuma................................................................. 28

Figura 15 Probetas de Honeycomb con espuma terminadas ....................................................... 29

Figura 16 Proceso de creación del sándwich ................................................................................ 29

Figura 17 Probeta terminada y lista para el ensayo. .................................................................... 30

Figura 18 Probetas de Honeycomb con espuma .......................................................................... 31

Figura 19 Probetas de Honeycomb con espuma en sándwich ..................................................... 31

Figura 20 Proceso de impregnación del Fluidos Dilatantes .......................................................... 32

Figura 21 Máquina y montaje utilizado para la compresión del Honeycomb. ............................. 33

Figura 22 Montaje del DWIT. ........................................................................................................ 34

Figura 23 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb ............................................................... 36

Figura 24 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb en sándwich .......................................... 37

Figura 25 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb con espuma .......................................... 38

Figura 26 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb con espuma en sándwich ..................... 39

Figura 27 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb con espuma y Fluidos Dilatantes .......... 40

Figura 28 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb ............................................................... 41

Figura 29 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb en sándwich .......................................... 42

Figura 30 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb con espuma. ......................................... 43

Figura 31 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb con espuma en sándwich ..................... 44

Figura 32 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb con espuma y Fluidos Dilatantes .......... 45

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LISTA DE TABLAS Tabla 1 Propiedades aleación de aluminio 5052 [28]. .................................................................. 21

Tabla 2 Propiedades aluminio Alclad 2024 T3 [30]. ..................................................................... 24

Tabla 3 Distribución muestral de las pruebas realizadas. ............................................................ 32

Tabla 4 Resultado promedio composición química. ..................................................................... 35

Tabla 5 Resultados Honeycomb .................................................................................................... 36

Tabla 6 Resultados Honeycomb en sándwich .............................................................................. 37

Tabla 7 Resultados Honeycomb con espuma ............................................................................... 38

Tabla 8 Resultados Honeycomb con espuma en sándwich .......................................................... 39

Tabla 9 Resultados Honeycomb con espuma y Fluidos Dilatantes .............................................. 40

Tabla 10 Resultados Honeycomb .................................................................................................. 41

Tabla 11 Resultados Honeycomb en sándwich ............................................................................ 42

Tabla 12 Resultados Honeycomb con espuma ............................................................................. 43

Tabla 13 Resultados Honeycomb con espuma en sándwich ........................................................ 44

Tabla 14 Resultados Honeycomb con espuma y Fluidos Dilatantes ............................................ 45

Tabla 15 Resultados Caracterización cuasi estática ..................................................................... 46

Tabla 16 Resultados Caracterización Dinámica ............................................................................ 47

Tabla 17 Resultados completos de la composición química. ....................................................... 55

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1. Introducción Colombia es un país con alrededor de cuarenta y ocho (48) millones de personas, y es un país que se encuentra en una guerra que lleva ya más de cincuenta (50) años, y aunque en este momento se esté negociando la paz, un problema real y que seguirá existiendo sea para los militares o para los civiles ya sea aun en guerra o en un proceso de post-conflicto es la presencia de minas antipersonales en sus territorios. Desde 1990 se han contabilizado un total aproximado de 11.401 víctimas por minas antipersonales [1], donde el 38% de estos accidentados son civiles y el 62% restante son militares, con una distribución geográfica de 31 de los 32 departamentos y en 567 municipios, es decir, en un aproximado del 50% del país [2]. Por esta razón el estudio de métodos y elementos mecánicos capaces de absorber energía, ya sea de un proyectil como una bala, o la onda explosiva producida por los entre 100 y 200 gramos de TNT presentes en una mina antipersonal es un problema que recae en los mismos colombianos. En los últimos años se han creado una variedad de dispositivos con el intento de detectar, evitar o absorber las explosiones causadas por las minas antipersonales, y varias alternativas han surgido, sin embargo, por medio del presente se quiere determinar la capacidad de absorción de energía que las estructuras Honeycomb, junto con espumas y Fluidos Dilatantes poseen y su aplicación a situaciones como la de una mina antipersona explotando bajo la suela de la bota de un militar o inclusive, un utensilio requerido para las personas civiles que, en caso de un tratado de paz y un proceso de post-guerra, se aventuren a ir o visitar lugares con riesgos de armas o explosivos de este tipo.

Por más de 10 años, se han llevado a cabo experimentos, desarrollos y prototipos de botas para estas situaciones [19][20], también la construcción de botas que no solo absorban sino eviten que se activen las minas o que de ser activadas alejan el pie de la misma [32], muchas opciones y muchos tipos diferentes de estudios se han llevado a cabo para resolver este problema, e incluso dentro de la misma universidad se han creado prototipos y patentes de esta tecnología, y por medio del presente se desea seguir investigando y avanzando en el diseño y la capacidad de estos en la absorción de esta energía. Las exigencias requeridas por estos componentes empleados en el diseño y construcción de elementos capaces de ayudar y disminuir el daño causado por este tipo de artefactos son diversos y cada uno más complejo que el anterior. Y este avance tecnológico ha llevado a una gran cantidad de estudios y alternativas como las anteriormente mencionadas, cada una con una naturaleza diferente pero enfocada a la misma función y es la posibilidad de salvarle la pierna, o permitir una intervención médica que no lleve a la amputación de la misma al ser sometida a la explosión de una mina antipersonal.

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Basado en lo anteriormente mencionado se realizó una profundización del estudio del comportamiento dinámico de los materiales, el cual se basó en, observar el comportamiento de cuerpos sometidos a cargas a través del tiempo, un tipo de carga extremadamente diferente con fenómenos y situaciones muy distintas a los casos de cargas estáticas, puesto que estas, en especial las cargas a estudiar causadas por la explosión de una mina, son cargas muy grandes que ocurren en pocos segundos, llevando a que sea determinante los efectos inerciales de las mismas y los tipos de contacto o la interacción entre la carga y la estructura. Para el presente caso, se ha optado a realizar ensayos experimentales por medio de pruebas dinámicas como la de caída de peso o mejor conocida por las siglas en ingles DWIT (Dop-Weight Test) y pruebas de compresión. Se desea llevar a cabo análisis principalmente experimental para que más adelante que se pueda continuar con la investigación y el desarrollo al implementar elementos corto punzantes en estos tipos de pruebas. Dado que, es una característica de ciertas minas antipersonales en las cuales, aparte del explosivo, se le adiciona metralla casera buscando hacer el mayor daño posible. Por medio de estas estructuras se desea minimizar al máximo el daño tanto causado por la explosión como por los diversos elementos que se le adicionan.

1.2 Alcance

La presente investigación pretende presentar un análisis confiable de la capacidad de estructuras tipo panal de abejas, de ahora en adelante referenciado por su nombre en inglés Honeycomb, como también de esta estructura en su forma de sándwich, y el buen uso de sus celdas para adicionar en ellas espumas o fluidos dilatantes también conocidos por sus siglas en ingles STF’s (Shear Thickening fluids), para absorber energía. Evaluando el efecto y la capacidad de estas para aplicaciones en suelas de botas militares, o en un diseño para la población civil que permita que, en caso de ser expuestos a la explosión de alguna mina antipersonal.

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1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo General

Evaluar la respuesta en condiciones estáticas y dinámicas que presentan un Honeycomb, un Honeycomb con relleno de espuma de poliuretano en sus cavidades, un Honeycomb con espuma y adición de Fluidos Dilatantes y un Honeycomb en sándwich permitiendo el aire en su núcleo reaccionar y ejercer algún tipo de comportamiento o resistencia mecánica.

1.3.2 Objetivos Específicos

a. Caracterización del comportamiento presentado por un Honeycomb bajo condiciones cuasi

estáticas.

b. Caracterización del comportamiento presentado por un Honeycomb con injerto de espuma

de poliuretano en sus cavidades bajo condiciones cuasi estáticas.

c. Caracterización del comportamiento presentado por un sándwich de Honeycomb bajo

condiciones cuasi estáticas.

d. Caracterización del comportamiento presentado por un Honeycomb con injerto de espuma

de poliuretano en sus cavidades y adición de Fluidos Dilatantes bajo condiciones cuasi

estáticas.

e. Caracterización del comportamiento presentado por un Honeycomb bajo condiciones

dinámicas de impacto.

f. Caracterización del comportamiento presentado por un Honeycomb con injerto de espuma

de poliuretano en sus cavidades bajo condiciones dinámicas de impacto.

g. Caracterización del comportamiento presentado por un sándwich de Honeycomb bajo

condiciones dinámicas de impacto.

h. Caracterización del comportamiento presentado por un Honeycomb con injerto de espuma

de poliuretano en sus cavidades y adición de Fluidos Dilatantes bajo condiciones dinámicas

de impacto.

i. Desarrollar una metodología para la construcción de sándwich de Honeycomb y Honeycomb

con injertos de espumas de poliuretano.

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2. Marco Teórico

2.1 Introducción

De acuerdo al contexto técnico de esta investigación, se requiere el entendimiento de varios conceptos previos. Como parte de esta propuesta se hará una leve descripción e introducción a los temas y nociones de mayor importancia a través de la investigación.

2.2 Estructuras tipo Honeycomb

Estructuras tipo Honeycombs son estructuras que poseen una geometría similar a la de los panales de abejas, es decir, una estructura compuesta por hexágonos, minimizando así la cantidad de material utilizado y el peso del mismo, llevando a la vez, a una reducción del costo de adquisición. Estas estructuras llevan a que el material tenga una densidad muy baja, sin embargo, manteniendo buenas propiedades tanto a compresión como a cortante. Este tipo de estructuras se usan en aviones, vagones de ferrocarril, estructuras de edificios e incluso vehículos y las llantas de los mismos, dado a su capacidad y a las propiedades que logra alcanzar manteniendo un bajo peso [24] [25]. Se conoce que la implementación de estructuras tipo Honeycomb en la industria desde 1919, estos fueron implementados para la fabricación de los flotadores de un hidroavión, utilizado en la configuración de sándwich [3]. Actualmente la búsqueda de materiales y sus diversas aplicaciones ha incrementado mucho y la búsqueda de poder llevar estos conocimientos a una manera comercial crece cada vez más y con más ansias, en este caso se enfoca el interés en disipar y mitigar la energía, dado a que cada vez se desea llegar más alto, más rápido y tener un dispositivo o una manera más liviana y asequible de hacerlo, o en el caso de las minas antipersonales tener dispositivos más portátiles y más ergonómicos que permitan absorber y disipar más energía o una gran cantidad de la energía de la explosión para poder impedir la perdida de alguna extremidad a causa de la explosión. La estructura tipo Honeycomb tiene bajo peso, alto módulo de elasticidad, rigidez y es capaz de deformarse de gran manera plásticamente bajo compresión dinámica, lo cual le permite y garantiza que gran cantidad de la energía que es aplicada a esta por medios dinámicos sea absorbida por la deformación de la estructura [4]. Se puede rastrear la primera aparición de esta estructura, manufacturada por un humano hace unos 2000 años [3], con un Honeycomb de papel que aparece en la cultura china, para ese entonces la estructura no cumplía con una funcionalidad, esta adquiere su nombre dado al parecido o similitud que tiene con el panal de abejas y su estructura hexagonal. Sin embargo, la primera patente relacionada a la estructura se registra en 1905 en Alemania donde el primer Honeycomb manufacturado en papel kraft aparece [3]. Ya en cuanto a la implementación de la estructura Honeycomb en sándwich se data a Gales en 1845, donde esta se utilizó para los rieles de los trenes, luego para la segunda guerra mundial se utilizó ésta estructura en el montaje y

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fabricación de aviones y finalmente, en 1945 se evidencia el primer sándwich de Honeycomb totalmente hecho de aluminio [3]. Dado a su eficiencia relacionada a su resistencia contra el peso y rigidez contra el peso , estas estructuras han sido utilizadas principalmente en aplicaciones estructurales, lo que permite su uso para tener partes de gran resistencia y bajo peso, en aplicaciones como aeronaves, en donde partes de estas se logra un gran reducción de peso alcanzando las propiedades de rigidez y resistencia deseadas y requeridas, llevando al diseño y construcción de aeronaves más livianas, que no solo necesitan menos potencia al despegar, sino ocurre un ahorro de combustible dado a la reducción de peso de las mismas [3]. Otras aplicaciones también incluyen diferentes aeronaves, helicópteros, las aspas de los helicópteros, botes de carreras, camiones, esquíes, hasta raquetas de ping pong. Todo esto es posible debido a lo versátil, liviana y resistente que es esta configuración, llevándola a no solo una gran amplia gama de investigación, sino de aplicaciones también. Hoy en día se evidencia un gran cambio y un gran incremento en la selección de componentes de ingeniería y construcción y se observa la tendencia al cambio y a la selección de materiales sintéticos y/o estructuras compuestas. Entre estas se evidencia el interés y el enfoque que se le hadado a estructuras celulares, de las cuales el Honeycomb hace parte. Siendo este una de las estructuras más representativas dado a su alta resistencia y bajo peso, características específicas y reconocidas en este tipo de estructuras [34]. Sin embargo, dado a la naturaleza de estas estructuras celulares, y como un impacto en el borde libre de alguna de estas estructuras puede dañarla, se ha recurrido a utilizar las mismas siempre en alguna configuración tipo sándwich o se ha optado por llenar sus cavidades con distintos materiales o espumas de diversos tipos, buscando evitar estos daños o imperfecciones. [35] La adición de estos materiales en sus cavidades llevo a nuevos y diferentes estudios y aplicaciones, pues permitió que estas estructuras con rellenos y en configuración de sándwich presentaran nuevas propiedades y comportamientos mecánicos, como un aumento de las capacidades para resistir impactos, condiciones de cargas cíclicas o fatiga entre otras [36]. A causa de esto, se debió comenzar un nuevo estudio para estos materiales y la búsqueda de la respuesta de los mismos en diferentes condiciones de carga e impacto, como a su vez con diferentes tipos de relleno y diferentes estructuras. Un líder es estas investigaciones es Thornton [37], quien se ha dedicado a la investigación y análisis de la forma en la cual colapsan las paredes del Honeycomb al ser estas llenadas con espumas de poliuretano, llegando a la conclusión de que el llenado de las cavidades del Honeycomb con espumas incrementa la habilidad del mismo de absorber energía. [37] Otros estudios se realizaron no con la adición de elementos dentro de las cavidades de estas estructuras, sino con la variación del espesor de la pared de la celda hexagonal de la estructura base del Honeycomb. El estudio demostró que puede ser más asequible en términos económicos el incremento de espesor de la pared, sin embargo, que la adición de espumas juega un papel importante en la manera en la cual la estructura colapsa. [38]

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2.2.1 Mecánica del Honeycomb

Dado que en el presente se estudia la respuesta del Honeycomb mediante ensayos cuasi estáticos y dinámicos, se dividirán los modelos de falla para esta estructura y se analizarán de esta misma manera.

2.2.1.1 Condiciones cuasi estáticas

Las condiciones cuasi estáticas se comprenden en un rango de 10−4 y 100 𝑠−1. El estudio de la falla de los Honeycombs se puede dividir en etapas, siendo la primera la deformación axial elástica, la segunda la deformación plástica y la tercera la etapa de densificación [4]. En la primera etapa el material cumple con el retorno a u forma inicial sin presentar deformación plástica o permanente, en la segunda etapa, las deformaciones ya son permanentes y la estructura no volverá a su etapa inicial, en esta etapa se pueden evidenciar pliegues en la estructura. Finalmente, en la tercera etapa la estructura se densifica, es decir, existe tanta formación de pliegues y la estructura colapsa de tal manera que se puede considerar un sólido pues esta ha colapsado en su totalidad (Ver figura 1).

Figura 1 Curva típica de esfuerzo vs deformación [5].

Dado la naturaleza de la estructura, su patrón de unión se puede describir como una Y, como se evidencia en la Figura 4, este módulo corresponde al punto en donde se unen tres laminas adhesivamente, Wierzbicki [7], por medio del estudio y relación de trabajos anteriores buscando tener en cuenta el comportamiento del adhesivo con el cual se ensambla el Honeycomb, puesto que, este al ser de un material diferente al del Honeycomb, presenta una menor resistencia lo que ocasionaba la separación de las paredes adhesivas. Finalmente desarrollo el modelo de falla analizando el ángulo que se tiene cuando ocurre la deformación plástica, evidenciado en la figura 4 [7].

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Figura 2 Módulo en Y en parte del Honeycomb y módulo aislado. [7]

Figura 3 Geometría global del modelo de falla en doblez [7].

Después de todos los análisis y estudios llevados a cabo por Wierzbicki, este logra definir matemáticamente un modelo que predice el esfuerzo de Plateu partiendo de la energía absorbida por la estructura [7]. De este modelo se derivó la siguiente expresión utilizada para calcular el esfuerzo de deformación plástica bajo condiciones cuasi estáticas de un Honeycomb.

𝜎𝑝𝑙 = 6,6𝜎𝑓𝑙 (𝑡

𝑙)

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(Ecuación #1) De lo anterior se entiende por 𝜎𝑓𝑙 por el límite de fluencia del material, 𝑙 como la longitud de la

arista del hexágono y 𝑡 el espesor de pared de la celda. Sin embargo, este modelo no se realizó para estructuras en tipo sándwich.

2.2.1.2 Condiciones cuasi dinámicas

Otra de las principales aplicaciones para los Honeycombs, utilizada más recientemente que en épocas anteriores, es la disipación y absorción de energía por objetos incidentes a bajas velocidades [4]. Se han llevado a cabo varios estudios buscando la caracterización mecánica de estos por medio de pruebas experimentales de impacto a bajas velocidades [8] [9]. Llegando

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siempre a la determinación de que el esfuerzo de Plateu de este varia en relación a la velocidad de impacto [10] [11] [12] [13]. Los rangos del campo dinámico se pueden separar en tres, baja, alta e híper velocidad, partiendo de rangos entre 100 𝑎 101𝑠−1, 101𝑎 104𝑠−1 𝑦 104𝑎 108𝑠−1respectivamente [14]. Para poder caracterizar las muestras de Honeycomb bajo estas condiciones, se requiere conocer la energía mínima para llegar al punto de densificación del material (deformación permanente), esto se hace utilizando la expresión encontrada en la literatura [41] unido a la ley de conservación de energía llegando a la siguiente formula:

𝑣𝑑 = √𝜎𝑝𝑙𝑑 ∗ 𝜀𝐷

𝜌∗ ((1 + (

𝑚1

𝑚2))

2

− 1)

(Ecuación #2) donde 𝜎𝑝𝑙𝑑hace referencia al aplastamiento medio, 𝜀𝐷a la deformación unitaria de densificación,

𝜌 a la densidad del material, 𝑚1a la masa de la probeta y 𝑚2 a la masa del martillo. Tras llevar a cabo esta ecuación se puede obtener la altura adecuada para realizar la prueba de impacto de la siguiente formula:

𝐻 =𝑣𝑑

2

2𝑔

(Ecuación #3) donde 𝐻 es la altura y 𝑔 es la constante gravitacional.

2.3 Honeycomb con estructura tipo sándwich

Estas estructuras se dividen en tres partes, dos placas una encima y otra debajo del Honeycomb y un panel de Honeycomb entre las dos. Las placas se adhieren al panel utilizando un adhesivo. Este tipo de configuración permite que el aire que se encuentra atrapado entre las placas y en los espacios huecos del Honeycomb entre en juego y reaccione en las pruebas tanto de compresión cuasi-estática como dinámica, y que este entre en la ecuación y, por sus características al estar confinado, eleve y ayude a maximizar la absorción de energía que ocurre en la deformación plástica de las celdas y que el colapso de estas se dé de una manera distinta dado a la presión que ejerce el aire sobre las paredes de la celda. Estudios anteriores demuestran que la estructura tipo sándwich del Honeycomb tiene un comportamiento muy bueno y que la mayoría de las pruebas de este son mejores a aquellas realizadas con Honeycomb sin esta configuración, y que inclusive, muy parecidas a el caso de la estructura en sándwich con injertos de espumas poliméricas [39]. Sin embargo, en pocas ocasiones se evidencia el Honeycomb sin su estructura tipo sándwich, en la gran mayoría de sus aplicaciones este requiere o va sujeto a dos placas en ambos lados, haciendo esta la forma más conocida a implantada para el uso y aplicación del Honeycomb. [7]

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2.4 Honeycomb con relleno de espumas poliméricas

Buscando maximizar la absorción de energía que tiene el Honeycomb cuando este se está deformando plásticamente, se han añadido distintos aditivos en los espacios libres de este y se han realizado diversos estudios para predecir, identificar y caracterizar el comportamiento de estas estructuras con sus aditivos [15]. Estudios realizados demuestran que el Honeycomb funciona de mejor manera cuando este se somete a compresión, sin embargo, la espuma añadida aporta resistencia a muy bajo costo hablando del incremento del peso, y la unión de estas dos estructuras (Honeycomb y espuma) ha demostrado incrementar de manera excelente la resistencia y resiliencia del sándwich de Honeycomb. [15] Por tanto, en la búsqueda de maximizar e incrementar la gran capacidad de absorción de energía que presenta esta estructura, se le ha añadido y se ha hecho crecer dentro de este, diferentes espumas, que, al igual del Honeycomb, tienen capacidad de absorber y disipar energía. Este intento y estudio ha demostrado no solo un efecto positivo y deseado a la hora de la absorción de energía sino también un cambio, aunque leve, en la manera en que las celdas colapsan en situaciones cuasi-estáticas, la adición de estas espumas de poliuretano ha logrado maximizar la absorción de energía del sistema, incrementando la misma hasta en un 300%, puesto que se evidencia que el Honeycomb combinado con la espuma tiene un esfuerzo de Plateu promedio mayor a la adición de este esfuerzo de tanto el Honeycomb como la espuma por separado [16].

2.5 Espumas

Las espumas absorbentes de energía son espumas principalmente visco-elásticas con la capacidad de absorber una alta carga, disiparla y transmitir una carga mucho más baja que a que esta absorbió. Estas espumas están en capacidad de deformarse y transmitir y disipar fuerzas en todas las direcciones y luego volver a su forma original una vez haya pasado la carga. Este tipo de espumas no solo minimizan el peso sino también ayudan a tener un espacio de empaquetamiento pequeño, esencial para aplicarlas en las cavidades de las estructuras tipo Honeycomb [17] [18].

2.6 Fluidos Dilatantes (Shear Thickening Fluids)

Son fluidos no Newtonianos, es decir, fluidos cuya viscosidad incrementa con el incremento en la rata de deformación o de aplicación de esfuerzos cortantes en los mismos. Este fenómeno se caracteriza dado al tamaño de partícula, forma y distribución obtenida. Las propiedades de estos fluidos y la suspensión que ocurre en los mismos está caracterizada por la teoría de Hamaker y las fuerzas de Van der Waals. La búsqueda de absorción de energía se evidencia en situaciones industriales, biomédicas e inclusive militares, y una aproximación a este tema se da por medio de los fluidos Dilatantes, la aplicación de estos varía desde protectores sísmicos en edificios, chalecos antibalas, hasta la industria automotriz [40]. El estudio y el requerimiento de que el material cambie sus

20

propiedades de acuerdo con las condiciones de carga a la cual este se ve sometido, lleva directamente a pensar en fluidos dilatantes. Estos son compuestos de suspensiones de partículas sólidas, no agregadas, que reaccionan y aumentan la viscosidad del fluido en el cual se encuentran cuando este se ve enfrentado a una velocidad de cizallamiento critica. Este incremento de la viscosidad se dice se activa “en el campo”, es decir, se activa dependiendo de las condiciones a las cuales se enfrenta el fluido, en este caso particular a las condiciones de cizallamiento. [40] Los fluidos dilatantes tienen como característica un comportamiento cuasi-newtoniano sobre una amplia gama de velocidades de cizallamiento dinámico, con la excepción de un área específica llamada el periodo de transición, o velocidad de cizallamiento critica (Especifica para cada fluido). Es esta etapa el modulo viscoso hace una transición severa a un nivel mucho más alto a la velocidad de cizallamiento particular, al igual que lo hace su módulo elástico, cambiando las propiedades del fluido e incrementando su habilidad para absorber energía. [40]

21

3. Metodología

3.1 Introducción

La siguiente parte del documento tiene como fin la presentación detallada de cada uno de los pasos seguidos para le realización de los experimentos realizados sobre el objeto de estudio. Se esclarece brevemente los materiales, técnicas experimentales y dispositivos utilizados a lo largo de este.

3.2 Especificaciones del Honeycomb

El Honeycomb utilizado para esta experimentación se obtuvo de los paneles disponibles en la universidad y suministrados por el profesor asesor. La referencia de este Honeycomb es 3/16” – 5052-0.0015N-4.4. Que esclarece el tamaño de 3/16” de cada uno de los hexágonos (correspondiente a 4.76 mm), el material del cual este está hecho que es aluminio 5052 y un espesor de pared de 00.0015” (correspondiente a 0.0381 mm), y una densidad equivalente de 4.4 lb/f𝑡3 (correspondiente a 70.48 kg/𝑚3). Una última medida adicional fue la altura del mismo que arrojó un resultado de 3/4” (correspondiente a 19.05 mm). Las propiedades más importantes de la aleación de aluminio 5052 son las siguientes:

Densidad [kg/𝑚3] 2698.6

Esfuerzo de Fluencia [MPa] 292

Módulo de Elasticidad [GPa] 70.3

Módulo de Cortante [GPa] 25.9 Tabla 1 Propiedades aleación de aluminio 5052 [28].

Se basó en la norma D7336 para el diseño de las probetas de Honeycomb, estas quedaron de 5x5 cm.

3.3 Especificaciones de la espuma de poliuretano

En el proceso de la generación de espumas de poliuretano si inició con la consideración e intento de replicación del método desarrollado en [29]. Este método se basaba en la combinación de Poliol, Isocianato, un agente de expansión, Catalizador (de aminas o estaño y un surfactante [29]. Con el análisis y estudio llevado a se logró llegar a la siguiente formulación para la producción de espumas de poliuretano:

22

Figura 4 Proceso y formulación de espumas [29].

En la figura 4 se muestra el proceso anteriormente utilizado para la obtención de la espuma. Sin embargo, al intentar replicar los resultados obtenidos anteriormente, el resultado obtenido en las espumas no fue el deseado. Como se observa en la figura 5, los primeros intentos de replicar o reproducir el proceso de espumado no resultaron satisfactorios, se evidencia una espuma discontinua y con cavidades en su estructura.

Figura 5 Primeros ensayos de reproducción del proceso de espumado.

23

Figura 6 Evidencia de discontinuidades en la espuma

Con base a la información proporcionada por los trabajos anteriores, Espumpatex S.A. y en tesis realizadas en el tema [33], se llegó a la implementación de una nueva metodología con nuevos químicos para la preparación de las espumas de poliuretano, esta se basaba en la preparación de las mezclas evidenciadas en la figura 7, en este caso se utilizó la formulación para un proceso de bloque. En segunda instancia, el cálculo de tiempos de espumado y gelado, el primero haciendo referencia al intervalo de tiempo permitido para mezclar el Poliol y el Isocianato sin que se rompan o dañen las cadenas de poliuretano, y el segundo data el intervalo de tiempo necesario para que la mezcla final tenga un cuerpo rígido y maleable. En tercera instancia se encuentra el dimensionamiento del molde, se encuentra una altura, ancho y largo del molde adecuados para permitir el correcto crecimiento de la espuma, evitando que haya rechupe o esfuerzos residuales a causa de un crecimiento acelerado y sin control, tras las determinaciones y consejos obtenidos se opta por un molde rectangular. Para lograr obtener los resultados adecuados y evidenciados en la figura 8, se preparó una caja con dimensiones de 20x20 cm, la cual se forro utilizando una bolsa de basura, dejando las paredes y el fondo lo más plano posible. Se siguieron todos los pasos mencionados en la literatura para la creación de la espuma [33], se mezclaron los componentes de la figura 7 y antes de que comenzara el proceso de espumación, se vertió el contenido de la mezcla en la caja, esta estaba dentro de una cabina, en la cual permaneció durante 4 horas permitiendo que todo el proceso se completara de manera eficaz y sin interrupciones. La espuma luego se extrajo de la caja y se cortó con un bisturí en medidas de 15x15cm y 2 cm de alto para asemejarse a las dimensiones del Honeycomb que sería impregnado por la misma.

24

Figura 7 Proceso de producción de espuma de poliuretano desarrollada.

Figura 8 Espumas exitosas.

3.4 Placas monolíticas de aluminio

En el proceso de llevar a cabo las experimentaciones de la estructura en tipo sándwich, se adquirieron placas de aluminio referencia Alclad 2024 T3, un aluminio utilizado principalmente en aplicaciones aeroespaciales, el cual posee un tratamiento superficial que le permite obtener una alta resistencia a la corrosión. Las propiedades de este se muestran a continuación.

Densidad [kg/𝑚3] 2780

Esfuerzo de Fluencia [MPa] 310

Módulo de Elasticidad [GPa] 73.1 Tabla 2 Propiedades aluminio Alclad 2024 T3 [30].

25

Una vez adquiridas las placas, estas se arcaron y cortaron de acuerdo a las dimensiones especificadas por la norma para las probetas de Honeycomb (se cortaron en cuadrados de 5x5cm). El espesor de lámina de estas es de 1/32”. El resultado final de las láminas cortadas se evidencia en la figura 9.

Figura 9 Laminas para sándwich terminadas.

3.5 Adhesivo

Se optó por utilizar un adhesivo epóxico que se tenía en la universidad, este es el adhesivo Hysol EA 934 NA, evidenciado en la figura 10, compuesto por dos agentes que al unirse forman la pasta epóxica adhesiva requerida para este tipo de situaciones, la mezcla se realiza con una relación de peso 100 a 33 de la parte A, a la parte B, y se cura a 25°c durante al menos 5 días antes de realizar las pruebas. Para poder mezclar este adhesivo inicialmente se consiguió un recipiente plástico limpio, espátula de madera, guantes, tapa bocas y se aseguró que los elementos a unir estuvieran listos y limpios. Inicialmente se pesaron 100g de la parte A en el recipiente plástico y luego 33g de la parte B que se agregó al recipiente encima de la parte A, con la espátula se mezclaron los dos componentes hasta tener una mezcla homogénea (el tiempo de mezclado fue aproximadme dos minutos). Una vez se tuviera una mezcla homogénea se prosiguió a adherir los componentes garantizando un espesor de lámina de al menos 1mm. Dependiendo de qué tipo de probeta se estuviera preparando la manera y el sitio de aplicación del adhesivo cambio. En el capítulo de elaboración de las probetas se especifica de mejor manera este proceso.

26

Figura 10 Imagen del pegante utilizado

3.6 Relleno del Honeycomb con espuma de poliuretano

En busca de que el proceso de manufactura del relleno del honeycomb con espuma quede más claro este se dividió en etapas.

3.6.1 Etapa uno

En el proceso de llenar los paneles de Honeycomb con la espuma, se utilizaron los mismos moldes donde se crecieron las espumas mencionados anteriormente, se siguió el proceso de crecimiento y desarrollo de la espuma con el solo cambio de agregar un cuadrado de Honeycomb de 15x15cm cuando el proceso de espumación y crecimiento de la espuma comenzaba, esto se puede evidenciar en las figuras 11, 12 y 13.

Figura 11 Montaje para el crecimiento de espuma dentro del Honeycomb

27

La manera en que se realiza este proceso se basa en: inicialmente se preparó una caja con dimensiones de 20x20 cm, la cual se forro utilizando una bolsa de basura, dejando las paredes y el fondo lo más plano posible. Una vez realizado esto se introdujo el cuadrado de 15x15cm de Honeycomb (Evidenciado en la figura 11). Asegurándose que este se encontrara en el centro y cupiera sin ningún inconveniente ni chocara con las paredes de la caja.

3.6.2 Etapa dos

Se prepara la fórmula de la espuma anteriormente mencionada y justo antes que el proceso de espumación comience, se vierte la misma manera uniforme sobre el Honeycomb, buscando que dentro de todas sus cavidades logre llegar algo de la formula preparada (esto se evidencia en la figura 12). Se vierte por completo y se deja que la espuma en su crecimiento natural poco a poco ocupe los espacios libres del Honeycomb. Durante el proceso, la espuma se deja dentro de la caja y dentro de una cabina de extracción durante cuatro horas, buscando así asegurar que el proceso de crecimiento se haya realizado por completo y la espuma crezca sin ningún inconveniente. La figura 13 ilustra como se ve el final del proceso.

Figura 12 Proceso de crecimiento de espuma dentro del Honeycomb.

28

Figura 13 Etapa final del crecimiento de la espuma en el Honeycomb

Una vez haya transcurrido el tiempo necesario se extrae la espuma de la caja y se saca la misma de la bolsa plástica. El producto terminado se observa en la Figura 13.

3.6.3 Etapa tres

Tras extraer la espuma de la bolsa, utilizando un bisturí, se remueven los excesos de esta hasta dejar completamente libre el Honeycomb el cual ahora tiene relleno de espuma en sus celdas. El proceso de remoción del exceso de espuma se evidencia en la figura 14.

Figura 14 Proceso de remoción de exceso de espuma

29

Tras dejar que la espuma creciera y se curara por completo se prosiguió a remover el exceso de poliuretano y cortar las probetas de 5x5 cm. Esto se llevó a cabo con un bisturí.

Figura 15 Probetas de Honeycomb con espuma terminadas

Es la figura 15 se observan las probetas terminadas.

3.7 Elaboración de las probetas tipo sándwich

Dado que se llevaron a cabo 2 configuraciones de las probetas tipo sándwich se esclarece brevemente la realización de ambas.

3.7.1 Probetas de solo honeycomb

La primera fue el Honeycomb solo como Core y dos placas de aluminio a cada lado. Para esta se utilizó el adhesivo mencionado anteriormente y se aseguró que existiera una capa cerca de 1mm de espesor en las tapas antes de adherirlas al Honeycomb, se apilaron las probetas y se pusieron pesas encima (5kg), dejando el pegante curar por, al menos, 5 días antes de realizar las pruebas. La figura 16 ilustra el proceso para esto.

Figura 16 Proceso de creación del sándwich

30

El proceso se inicia con las probetas de Honeycomb cortadas en cuadrados de 5x5cm, una vez se tengan estas probetas se prosigue a cortar un par de tapas de 5x5cm del aluminio (un par dado que es una tapa por cara del Honeycomb). Una vez se tengan todos los materiales listos se alista el adhesivo. Este se debe mezclar muy bien en un recipiente limpio según la proporción de peso 100/33 de cada una de sus partes a y b. Para esto se utilizó un recipiente plástico vacío y una espátula de madera. Se mezcla hasta tener una masa uniforme de pegante y con la misma espatula se impregnan ambas caras del Honeycomb. Se asegura que se tenga una capa de al menos 1mm de espesor en las tapas antes de adherirlas al Honeycomb.

Figura 17 Probeta terminada y lista para el ensayo.

3.7.2 Probetas con relleno de espuma

El segundo tipo de probeta fue el Honeycomb con adición de espuma de poliuretano (Evidenciado en la figura 18), para este se utilizó el mismo método mencionado en el numeral 3.7.1, pero en vez de añadir el adhesivo primero a las tapas de aluminio, este se añadió a las caras del Honeycomb, aprovechando que las cavidades ahora están llenas de espuma, facilitando el proceso de adherir a las caras las placas de aluminio. Nuevamente se siguieron los pasos especificados para tener la mezcla homogénea del adhesivo, mezclando sus partes A y B en relación de peso 100 a 33 respectivamente, utilizando la espátula se agregó el pegante esta vez a las caras del Honeycomb, garantizando una capa de al menos 1mm de espesor y se adhirieron las tapas de aluminio. Una vez todas las probetas estuvieran listas se apilaron en columnas de 4 probetas, separadas por papel periódico evitando que estas se fueran a adherir entre sí. Y se colocaron pesas de 5kg encima de cada torre para asegurar se adhirieran las placas a las probetas correctamente. Las probetas con las pesas permanecieron dentro de una cabina de extracción durante 5 días permitiendo el correcto secado del adhesivo y que estas no se movieran.

31

Figura 18 Probetas de Honeycomb con espuma

Figura 19 Probetas de Honeycomb con espuma en sándwich

En la figura 19 se evidencia las probetas terminadas con algo del papel periódico mencionado adherido en las caras de las tapas.

3.8 Elaboración de las probetas con espuma y Fluidos Dilatantes

Se siguieron los mismos pasos para obtener las probetas de Honeycomb con espuma. Una vez se obtuvieron estas a cado una se le adiciono 50ml de Fluidos Dilatantes diluido en etanol. Se adicionaron 25ml por cara en un tiempo de 5 minutos por cara asegurándose que esta absorbiera y se impregnara lo mejor posible, una vez se completara este proceso se deja reposar 30 minutos por cara (1 hora en total) en un recipiente donde se contiene los residuos alrededor asegurando la mayor absorción del Fluidos Dilatantes posible (Este proceso se evidencia en la figura 20). Tras realizada esta etapa se introducen las probetas en un horno electromecánico THERMOLYNE, que garantiza una temperatura de 80°C por 7 horas, llevando a la evaporación del etanol que fue utilizado como agente de transporte del Fluidos Dilatantes.

32

Figura 20 Proceso de impregnación del Fluidos Dilatantes

3.9 Experimentación

Con el enfoque de cumplir los objetivos del proyecto, se divide la experimentación a realizar en los dos escenarios correspondientes a pruebas cuasi-estáticas y pruebas dinámicas, en las pruebas cuasi estáticas esta la prueba de compresión y en las dinámicas está el DWIT, aparte de estas también se llevó a cabo una prueba de composición química al Honeycomb para comprobar que de hecho fuera el material especificado por el fabricante. En la tabla 3 presentada a continuación se evidencia la distribución de las muestras para cada prueba, el tipo y cantidad de probetas utilizada.

Tipo de prueba Tipo de probeta Numero de probetas

Compresión Honeycomb 5

Compresión Honeycomb + Espuma 5

Compresión Honeycomb sándwich 5

Compresión Honeycomb + Espuma sándwich 5

Compresión Honeycomb + Espuma + Fluido dilatante 3

DWIT Honeycomb 3

DWIT Honeycomb + Espuma 3

DWIT Honeycomb sándwich 3

DWIT Honeycomb + Espuma sándwich 3

DWIT Honeycomb + Espuma + Fluido dilatante 2 Tabla 3 Distribución muestral de las pruebas realizadas.

33

3.9.1 Pruebas cuasi-estáticas

Estas pruebas llevadas a cabo en la maquina Instron 3367 disponible en la Universidad de los Andes, esta presenta una carga máxima de 30kN. Para el desarrollo de estas pruebas se utiliza y se basa en la norma ASTM D7336, donde se especifica que las probetas deben tener un área mínima de 2500 𝑚𝑚2, que la velocidad de compresión debe ser de 25 mm/min [6]. En el caso de las probetas tipo sándwich, se utiliza la norma ASTM C365, que especifica una misma área mínima de las probetas y una velocidad de compresión de 10−3𝑠−1 [31].

Figura 21 Máquina y montaje utilizado para la compresión del Honeycomb.

3.9.2 Pruebas dinámicas

En busca de poder llevar a cabo esta experimentación se debe obtener por medio de las formulas anteriormente mencionadas la velocidad mínima de densificación y la altura del martillo que va a caer e impactar sobre las probetas. Este cálculo se lleva a cabo basándose en los resultados obtenidos de las pruebas cuasi-estáticas y arrojo una altura de 70cm por encima de la probeta, llevando a que la velocidad de contacto de la maquina este por los 3,2 m/s y generar una tasa de deformación aproximada a los 275 𝑠−1, buscando así que en el momento del impacto se activen y entren en juego a la hora de disipar la energía no solo el Honeycomb sino este y la espuma en ambas configuraciones libre y en sándwich.

34

En la realización de esta prueba se utilizó la máquina de DWIT (drop weight test), la cual está disponible en la Universidad de los Andes. El funcionamiento de esta se basa en el uso y transformación de la energía potencial de un martillo que se guía para impactar la probeta a una velocidad dada. La máquina se pone a punto por medio de una interfaz y esta funciona gracias a un software instalado en la misma que permite ajustara y definir ciertos parámetros para hacer la adquisición de los datos aceptable y viable. Una vez estos parámetros estén establecidos (por ejemplo, altura de la cual se deja caer el martillo), la maquina sube el martillo a la altura deseada y se prepara para recibir el impacto de este. En la parte de debajo de donde se coloca la probeta se tienen tres (3) celdas de carga en distribución triangular que ayudan a la adquisición de datos y a determinar la energía total transferida mediante el impacto. Estas celdas requieren una precarga de 15 in/lb. La adquisición de datos llevada a cabo por esta máquina es posible gracias a tres diferentes sensores que posee en su estructura. El primero es un Laser Stick DT60, este se encuentra en la parte superior de la máquina, arriba del martillo que impacta la probeta y se encarga de medir de manera precisa la altura del martillo en todo tiempo t de la prueba. El segundo es un Laser de precisión LDSM 90/40, este posee un rango de medición que está entre los 40mm y una alta resolución (0.04mm) y se encarga de medir la compresión que ocurre en la probeta en todo tiempo t. El tercero son los sensores mencionados anteriormente, estos son sensores Kistler referencia 9212 con un rango máximo de 5000 lbf, son tres y se distribuyen de manera triangular en la base de la máquina, permitiendo un máximo de 15000 lbf. [4] [15] [29] Las señales son admitidas, filtradas y amplificadas por el software que posee la máquina y posteriormente se almacenan en el mismo. Los resultados arrojados por esta se basan en la fuerza y la distancia cada 1𝑥10−5𝑠. Y utilizando esto se puede calcular el esfuerzo sobre el área transversal de la probeta y de ahí la deformación unitaria de la misma. [4] [15] [29]

Figura 22 Montaje del DWIT.

35

4 Resultados

4.1 Introducción

A continuación, se muestran los resultados obtenidos por medio de las técnicas de experimentación descritas anteriormente. Esta sección estará dividida en tres partes, la primera los resultados obtenidos por medio de la prueba de composición química del Honeycomb, la segunda por los resultados obtenidos de las pruebas cuasi-estáticas, y la tercera por los resultados obtenidos por las pruebas dinámicas. Dentro de los últimos dos se evidenciará y estará dividido por el tipo de probeta que se utilizó.

4.2 Prueba de composición química

Se llevó a cabo un estudio de composición química del Honeycomb, los resultados encontrados se pueden ver en anexo x, a continuación, los valores promedio de las 8 pruebas realizadas y la desviación estándar.

Elemento Valor promedio % Desviación Estándar

Al 94.77 1.9826

Si 0.2734 0.1419

Fe 0.3857 0.1125

Cu 0.0751 0.0701

Mn 0.0565 0.0263

Mg 1.801 0.175

Zn 0.000 0.000

Cr 0.6714 0.2696

Ni 0.844 0.8184

Ti 0.0576 0.0352

Sr 0.002 0.0017

Zr 0.0564 0.0462

V 0.0759 0.0426

Ca 0.0335 0.0356

Be 0.000 0.0003 Tabla 4 Resultado promedio composición química.

Basado en lo anterior se comprueba que el material del Honeycomb es aluminio 5052.

36

4.3 Pruebas cuasi-estáticas

4.3.1 Compresión del Honeycomb

Al momento de realizar las pruebas se determinó un área transversal de 2500 𝑚𝑚2 para cada una de las probetas de Honeycomb de aluminio. Basándonos en los resultados de la curva esfuerzo vs deformación se logró calcular el esfuerzo de Plateu y la desviación de los datos.

Figura 23 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb

En la figura 23 se observa claramente el comportamiento esperado en un Honeycomb. Se observan las tres etapas de la deformación y al comparar con la figura 1, la curva se comporta de la manera adecuada y esperada.

Tipo de prueba Tipo de probeta Esfuerzo de Plateu

Compresión Honeycomb 0.790



Compresión Honeycomb 0.845 Desviación Estándar Aumento Plateu

Compresión Honeycomb 0.806 MPa %

Promedio 0.789 0.04002 N/A Tabla 5 Resultados Honeycomb

Los datos de los esfuerzos de Plateu para cada una de las probetas se evidencian en la tabla 5.

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0.01 0.11 0.21 0.31 0.41 0.51 0.61 0.71 0.81 0.91 1.01

Esfu

erzo

de

com

pre

sió

n [

MP

a]

Deformación por compresión [mm/mm]

37

4.3.2 Compresión del Honeycomb en sándwich

Al momento de realizar las pruebas se asegura exista un área transversal de al menos 2500 𝑚𝑚2 para cada una de las probetas de Honeycomb de aluminio en sándwich.

Figura 24 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb en sándwich

En la figura 24 se observa el comportamiento esperado en un Honeycomb, sin embargo, existen unos cambios en la gráfica, esta presenta una pendiente en la segunda etapa de la deformación, discutida más detalladamente en la sección siguiente del documento. El dato de la probeta 3 evidenciado en gris en la gráfica arrojo valores del doble de los obtenidos por las otras probetas. Este no fue tenido en cuenta en los cálculos de esfuerzos dado que se consideró la probeta defectuosa.


Compresión Hc sándwich 0.810


Compresión Hc sándwich 1.745*

Compresión Hc sándwich 1.000 Desviación Estándar Aumento Plateu

Compresión Hc sándwich 0.938 MPa %

Promedio 0.876 0.11250 11.027 Tabla 6 Resultados Honeycomb en sándwich


-1

0

1

2

3

4

5

6

7

0.09 0.19 0.29 0.39 0.49 0.59 0.69 0.79 0.89

Esfu

erzo

de

com

pre

sió

n [

MP

a]


38

4.3.3 Compresión del Honeycomb con espuma de poliuretano

Al momento de realizar las pruebas se identificó un área transversal mínima de 2500 𝑚𝑚2 para cada una de las probetas de Honeycomb de aluminio con espuma de poliuretano.

Figura 25 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb con espuma

En la figura 25 se observa claramente el comportamiento esperado en un Honeycomb, sin embargo, se evidencia cierta alteración a la segunda etapa de la deformación que se relaciona con los injertos de espumas poliméricas. Se observan las tres etapas de la deformación y al comparar con la figura 1, la curva se comporta de la manera adecuada y esperada.


Compresión Hc + espuma 0.858



Compresión Hc + espuma 0.973 Desviación Estándar Aumento Plateu

Compresión Hc + espuma 0.961 MPa %

Promedio 0.935 0.04879 18.505 Tabla 7 Resultados Honeycomb con espuma


-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 0.65 0.75 0.85 0.95 1.05

Esfu

erzo

de

com

pre

sió

n [

MP

a]


39

4.3.4 Compresión del Honeycomb con espuma de poliuretano en sándwich

Se determinó un área transversal de 2500 𝑚𝑚2 para cada una de las probetas de Honeycomb de aluminio con espuma de poliuretano en sándwich. Basándonos en los resultados de la curva esfuerzo vs deformación se calcula el esfuerzo de Plateu.

Figura 26 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb con espuma en sándwich

En la figura 26 se observa el comportamiento esperado en un Honeycomb, sin embargo, existen unos cambios en la gráfica, esta presenta una pendiente en la segunda etapa de la deformación, discutida más detalladamente en la sección siguiente del documento. Este cambio tiene como causa principal el tipo de probeta y la adición de la espuma. (Se observa que el cambio entre la segunda y tercera etapa de la deformación se produce más suavemente.)


Compresión Hc + Espuma Sándwich 1.006



Compresión Hc + Espuma Sándwich 0.993 Desviación Estándar Aumento Plateu

Compresión Hc + Espuma Sándwich 1.006 MPa %

Promedio 1.010 0.04620 28.010 Tabla 8 Resultados Honeycomb con espuma en sándwich


-1

0

1

2

3

4

5

6

0.01 0.11 0.21 0.31 0.41 0.51 0.61 0.71 0.81

TíEs

fuer

zo d

e co

mp

resi

ón

[M

Pa]


40

4.3.5 Compresión del Honeycomb con espuma de poliuretano y Fluidos Dilatantes

Se asegura el área transversal mínima para cada una de las probetas de Honeycomb de aluminio con espuma de poliuretano y Fluidos Dilatantes.

Figura 27 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb con espuma y Fluidos Dilatantes

En la figura 27 se observa el comportamiento esperado en un Honeycomb, sin embargo, existen unos cambios en la gráfica, estos presentes en la etapa inicial de la formación de pliegues de la probeta cuando esta falla plásticamente.

Tipo de prueba

Tipo de probeta Esfuerzo de Plateu

Compresión Hc + Espuma + Fluidos Dilatantes

1.028


0.982 Desviación Estándar

Aumento Plateu


0.996 MPa %

Promedio 1.002 0.02356 26.996 Tabla 9 Resultados Honeycomb con espuma y Fluidos Dilatantes


-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0.14 0.24 0.34 0.44 0.54 0.64 0.74 0.84 0.94 1.04

TíEs

fuer

zo d

e co

mp

resi

ón

[M

Pa]


41

4.4 Pruebas dinámicas

4.4.1 DWIT del Honeycomb

Se verifica se cumpla con los requisitos de área transversal para cada una de las probetas de Honeycomb de aluminio. Basándonos en los resultados de la curva esfuerzo vs deformación se logró calcular el esfuerzo de Plateu y la desviación de los datos.

Figura 28 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb

En la figura 28 se observa el comportamiento esperado en un Honeycomb, en esta grafica cambian las condiciones del experimento a ser dinámicas y debido a la tasa aumentada de deformación se evidencia una pendiente mayor al final de la gráfica.



Compresión Honeycomb 0.812 Desviación Estándar Aumento Plateu

Compresión Honeycomb 0.806 MPa %

Promedio 0.808 0.00440 N/A Tabla 10 Resultados Honeycomb


0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.08 0.18 0.28 0.38 0.48 0.58 0.68 0.78 0.88

Esfu

erzo

de

com

pre

sió

n [

MP

a]


42

4.4.2 DWIT del Honeycomb en sándwich

Se utilizan las probetas de Honeycomb de aluminio en sándwich que cumplan con los requerimientos de norma para la prueba.

Figura 29 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb en sándwich

En la figura 29 se observa un comportamiento parecido al de un Honeycomb, al cambiar las condiciones del experimento a ser dinámicas y debido a la tasa aumentada de deformación se considera estos cambios y la forma de la gráfica obtenida dependen del aumento en la presión del aire dentro de las celdas del honeycomb.



Compresión Hc sándwich 1.069 Desviación Estándar Aumento Plateu

Compresión Hc sándwich 1.044 MPa %

Promedio 1.057 0.01276 30.817 Tabla 11 Resultados Honeycomb en sándwich


-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Esfu

erzo

de

com

pre

sió

n [

MP

a]


43

4.4.3 DWIT del Honeycomb con espuma de poliuretano

Se asegura que cada una de las probetas de Honeycomb de aluminio con espuma de poliuretano cumplan los requerimientos de norma. Con base en los resultados de la curva esfuerzo vs deformación se logró calcular el esfuerzo de Plateu y la desviación de los datos.

Figura 30 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb con espuma.

En la figura 30 se observa un comportamiento muy similar al de un Honeycomb, debido a la tasa aumentada de deformación, la forma de la gráfica al final de la gráfica tiene una pendiente mucho mayor dado a que la pieza se densifica mucho más rápidamente que en condiciones cuasi-estáticas.



Compresión Hc + espuma 0.932 Desviación Estándar Aumento Plateu

Compresión Hc + espuma 0.948 MPa %

Promedio 0.941 0.00850 16.460 Tabla 12 Resultados Honeycomb con espuma


-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Esfu

erzo

de

com

pre

sió

n [

MP

a]


44

4.4.4 DWIT del Honeycomb con espuma de poliuretano en sándwich

Se asegura el área transversal de 2500 𝑚𝑚2 requerida por la norma para cada una de las probetas de Honeycomb de aluminio con espuma de poliuretano en sándwich.

Figura 31 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb con espuma en sándwich

En la figura 31 se observa un comportamiento parecido al de un Honeycomb, al cambiar las condiciones del experimento a ser dinámicas y debido a la tasa aumentada de deformación se considera estos cambios y la forma de la gráfica obtenida dependen del aumento en la presión del aire dentro de las celdas del honeycomb y al injerto de espumas poliméricas.



Compresión Hc + Espuma Sándwich 1.070 Desviación Estándar Aumento Plateu

Compresión Hc + Espuma Sándwich 1.141 MPa %

Promedio 1.055 0.09490 30.569 Tabla 13 Resultados Honeycomb con espuma en sándwich


-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Esfu

erzo

de

com

pre

sió

n [

MP

a]


45

4.4.5 DWIT del Honeycomb con espuma de poliuretano y Fluidos Dilatantes

Se verifica que cada una de las probetas de Honeycomb de aluminio con espuma de poliuretano y Fluidos Dilatantes cumpla con los requerimientos para la prueba. Basándonos en los resultados de la curva esfuerzo vs deformación se logró calcular el esfuerzo de Plateu y la desviación de los datos.

Figura 32 Curva Esfuerzo VS Deformación Honeycomb con espuma y Fluidos Dilatantes

En la figura 32 se observa un comportamiento muy similar al de un Honeycomb, debido a la tasa aumentada de deformación, la forma de la gráfica al final de la gráfica tiene una pendiente mucho mayor dado a que la pieza se densifica mucho más rápidamente que en condiciones cuasi-estáticas. En esta grafica solo se evidencian los datos de dos probetas dado a que la maquina tuvo una falla comprometiendo los datos de la tercera.

Tipo de prueba

Tipo de probeta Esfuerzo de Plateu


1.067 Desviación Estándar

Aumento Plateu


1.023 MPa %

Promedio 1.045 0.03158 29.331 Tabla 14 Resultados Honeycomb con espuma y Fluidos Dilatantes


-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0.08 0.28 0.48 0.68 0.88 1.08 1.28

Esfu

erzo

de

com

pre

sió

n [

MP

a]


46

5 Análisis de Resultados

5.1 Introducción

En el presente capítulo de esclarecen y analizan los resultados obtenidos por medio de la experimentación realizada.

5.2 Caracterización cuasi estática.

A partir de los resultados obtenidos en el régimen cuasi estático, se pudo llevar a cabo la siguiente tabla que muestra una comparación del promedio del esfuerzo de Plateu entre las diferentes probetas, el porcentaje de aumento del mismo y la desviación estándar entre los datos obtenidos.

Tipo de probeta Esfuerzo de Plateu [MPa]

Aumento Plateu %

Desviación estándar

[MPa]

Peso Promedio

[g]

Honeycomb 0.789 N/A 0.04002 2.56

Hc sándwich 0.876 11.027 0.11250 18.00

Hc + espuma 0.935 18.505 0.04879 4.65

Hc + Espuma Sándwich

1.010 28.010 0.04620 22.61

Hc + Espuma + Fluidos Dilatantes

1.002 26.996 0.02356 11.88

Tabla 15 Resultados Caracterización cuasi estática

Tras analizar las figuras 24 a 28 del punto anterior se observa que todas las muestras se comportan de manera similar, un comportamiento esperado y presentado en la bibliografía que se consultó. Las regiones de deformación están bien definidas. Se observa una tendencia al aumento del esfuerzo de Plateu en las probetas con el aumento de los aditivos, al igual que con la configuración tipo sándwich. Esto se evidencia con el Honeycomb solo con un esfuerzo de Plateu de 0.789 MPa, luego al esfuerzo aumenta a 0.876 MPa con la configuración en sándwich, obteniendo un aumento del esfuerzo en 11%, El Honeycomb con espuma ocupa un tercer lugar con 0.935 MPa y un aumento de 18%, El Honeycomb con espuma y Fluidos Dilatantes ocupa un segundo lugar con un esfuerzo de 1.002 MPa y un aumento del 26% en la resistencia, finalmente el primer lugar en cuanto al mayor esfuerzo de Plateu lo obtiene el Honeycomb con espuma en su configuración de sándwich, con un esfuerzo de 1.010 MPa y un aumento porcentual del mismo en 28%. Se evidencia que para todos los casos menos en Honeycomb en configuración de sándwich la desviación estándar sobre el esfuerzo de Plateu es de 1 a 2 órdenes de magnitud por debajo de la variable de estudio, esto se relaciona con una buen comportamiento y reproducibilidad de los experimentos.

47

5.3 Caracterización dinámica

A partir de los resultados obtenidos en el régimen dinámico, se pudo llevar a cabo la siguiente tabla que muestra una comparación del promedio del esfuerzo de Plateu entre las diferentes probetas, el porcentaje de aumento del mismo y la desviación estándar entre los datos obtenidos.

Tipo de probeta Esfuerzo de Plateu [MPa]

Aumento Plateu %

Desviación estándar [MPa]

Peso Promedio [g]

Honeycomb 0.808 N/A 0.00440 2.53

Hc sándwich 1.057 30.817 0.01276 17.89

Hc + espuma 0.941 16.460 0.00850 4.52

Hc + Espuma Sándwich 1.055 30.569 0.09490 22.43

Hc + Espuma + Fluidos Dilatantes

1.045 29.331 0.03158 11.92

Tabla 16 Resultados Caracterización Dinámica

Tras analizar las figuras 29 a 33 del punto anterior se observa que todas las muestras se comportan de manera similar, un comportamiento esperado y presentado en la bibliografía que se consultó, puesto que la gráfica esfuerzo deformación que se obtuvo es la adecuada y los valores encontrados están dentro de lo esperado. Las regiones de deformación están bien definidas. Sin embargo, en las probetas que no se encuentran en la configuración tipo sándwich se evidencia que, al ocurrir la deformación de una manera tan rápida existe un cambio brusco generando un pico cuando la probeta se compacta en su totalidad. Se observa una tendencia al aumento del esfuerzo de Plateu en las probetas con el aumento de los aditivos, al igual que con la configuración tipo sándwich. Esto se evidencia con el Honeycomb solo con un esfuerzo de Plateu de 0.808 MPa, luego al esfuerzo aumenta a 0.941 MPa con la adición de la espuma, obteniendo un aumento del esfuerzo en 16%, El Honeycomb con espuma y Fluidos Dilatantes ocupa un tercer lugar con 1.045 MPa y un aumento de 29%, El Honeycomb con espuma en configuración sándwich ocupa un segundo lugar con un esfuerzo de 1.055 MPa y un aumento del 30% en la resistencia, finalmente el primer lugar en cuanto al mayor esfuerzo de Plateu lo obtiene el Honeycomb en su configuración de sándwich, con un esfuerzo de 1.057 MPa y un aumento porcentual del mismo en 31%. Se evidencia un comportamiento diferente en cuanto a las pruebas estáticas, dado a que, a las altas tasas de deformación de esta prueba, la compresión que se da del aire por la configuración de sándwich ya influye de una manera más drástica en la prueba. También se encuentra en un régimen de deformación donde el Fluidos Dilatantes es activado, generando así un evidente aumento del esfuerzo de Plateu comparándolo con las pruebas cuasi estáticas.

48

Se evidencia que para todos los casos menos en Honeycomb en configuración de sándwich la desviación estándar sobre el esfuerzo de Plateu es de 1 a 2 órdenes de magnitud por debajo de la variable de estudio, esto se relaciona con un buen comportamiento y reproducibilidad de los experimentos. En condiciones dinámicas el uso del Fluidos Dilatantes se evidencia de una manera más clara y se optimiza y da más validez al uso de estas sustancias, dado a que la tasa de deformación se encuentra en sus puntos de activación.

5.4 Comparación entre caracterizaciones

Al aumentar la tasa de deformación llevando el experimento de un ámbito cuasi-estático a uno dinámico, el cambio principal evidenciado en las gráficas de ambos experimentos es la pendiente de la tercera etapa de deformación del Honeycomb, la densificación, en las pruebas cuasi estáticas, debido a la tasa de deformación utilizada, la gráfica demuestra una pendiente constante y marcada como se evidencia en las figuras 23, 24, 25, 26 y 27. Mientras que al aumentar la taza de deformación, esta última etapa sucede casi instantáneamente dejando un pico al final de la gráfica como se observa en las figuras 28, 30 y 32. Cabe notar que para el caso en que las probetas eran de tipo sándwich (figuras 29 y 31), la tercera etapa si ocurre de una manera menos precipitada, esto se debe al aumento de la presión de aire dentro de las cavidades y como este dificulta el proceso de densificación. Todas las probetas ensayadas tuvieron mayor esfuerzo de Plateu en las pruebas dinámicas que en las cuasi estáticas, llevando a considerar que a altas tasas de deformación el comportamiento y la habilidad de las mismas para absorber energía es mayor.

49

6 Conclusiones Los experimentos y resultados obtenidos permitieron esclarecer lo encontrado en la investigación bibliográfica sobre como la adición de ciertos materiales como en este caso la espuma de poliuretano y como el cambio de la configuración juegan un papel importante en el comportamiento de los Honeycomb. Las principales conclusiones obtenidas de la investigación realizada son:

En condiciones cuasi estáticas los resultados sugieren que la adición de estos materiales

incrementa el esfuerzo de Plateu y la capacidad de las probetas para absorber y disipar energía, y

que esta es aún mejor cuando se encuentra en la configuración tipo sándwich.

En condiciones dinámicas, las probetas con configuración tipo sándwich tienen un aumento

precipitado del esfuerzo de Plateu. Sugiriendo que, al imponer esta restricción de salida del aire,

este juega un papel importante en la disipación de energía y en el proceso de compresión de la

probeta.

Todas las muestras a las cuales se le hizo una modificación a la estructura de Honeycomb

presentaron aumento del esfuerzo de Plateu.

En condiciones dinámicas, las probetas con configuración de sándwich tienen una leve pendiente

en la segunda etapa de la deformación (formación de pliegues). Ésta se le atribuye al aumento de

la presión del aire dentro de las cavidades.

50

7 Recomendaciones y trabajo futuro

En el estudio cuasi estático realizar la experimentación del Honeycomb con espuma y Fluidos

Dilatantes en configuración de sándwich para observar si el comportamiento se mantiene.

Un estudio más detallado en la manipulación de la velocidad de activación del Fluidos

Dilatantes y como su comportamiento varía con la misma es recomendado.

En las probetas con configuración tipo sándwich, realizar un estudio de cómo cambia el

comportamiento con diferentes velocidades de deformación e impacto ayudaría a entender

mejor el rol que juega el aire en estas probetas y a que velocidades es óptimo.

Un estudio dinámico que incluya del Honeycomb con espuma y Fluidos Dilatantes en

configuración de sándwich y cambios de la tasa de deformación para observar en qué caso tiene

un mejor esfuerzo de Plateu que probeta.

51

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55

Anexos

Tabla 17 Resultados completos de la composición química.

caracterizaciÓn mecÁnica de estructuras honeycomb …

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