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INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES COMPUESTOS Y SU MODELAMIENTO Introduction to Composite Mateirals and their Modeling
Oscar Gerardo Castro Ardila
Escuela de Ingeniería Mecánica
Elementos Finitos aplicados a Estructuras Aeronáuticas
Febrero de 2013
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Conceptos básicos de materiales compuestos Basic concepts about composite materials
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¿Qué son los materiales compuestos?
Un material compuesto es un sistema material formado por dos o más macroconstituyentes que difieren en forma y composición química, y son insolubles entre sí.
Composición de la madera Interface fibras-resina
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¿Qué son los materiales compuestos?
Matriz + uno o más materiales de refuerzo
Vidrio cerámicos reforzado
con monofilamentos de
carburo de silicio
Lamina epoxi reforzada con
fibra de carbono
Aluminio reforzado con
partículas de carburo de silicio
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• Matriz: Es la fase continua. Su propósito es transmitir las cargas y
proteger al compuesto del ambiente.
• Material de refuerzo: Es la fase dispersa. Su propósito es mejorar las propiedades de la matriz, aportando rigidez y/o resistencia.
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Matrices
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Matrices
Polimérica
Termoestables
(Epoxi, Poliéster)
Termoplásticos
(Poliestireno, Nailon)
Metálica
Aleaciones
(Aceros, Aluminios)
Cerámica
Vidrio
Cerámicos
(Semiconductores, cermets)
Cementos
Carbón y grafito
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Materiales de refuerzo
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Refuerzos
Fibras
Cortas
Largas
Capas
Hilos
Orgánicas
Inorgánicas
Monocristales Láminas Hojuelas Rellenados Partículas Microesferas
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Organización estructural del compuesto: variables de diseño
Concentración Tamaño Forma
Distribución Orientación
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Compuestos
Reforzados con partículas
Partículas largas
Partículas altamente dispersas
Reforzados con fibras
Continuas Discontinuas
(Cortas)
Alineadas
Orientadas aleatoriamente
Estructurales
Láminas
Paneles tipo sándwich
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Clases de compuestos
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Ventajas
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Las principales propiedades de interés ingenieril que se mejoran con estos materiales son:
• Resistencia mecánica • Rigidez • Resistencia a la corrosión • Resistencia al desgaste • Ligereza • Resistencia a la fatiga • Aislamiento térmico y acústico • Diseño artístico
Fibras de carbono y de
vidrio
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Ventajas
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Comparación de las propiedades mecánica de los
materiales compuestos y de otros materiales
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Ventajas
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Comparación de las propiedades mecánica de los
materiales compuestos y de otros materiales
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Desventajas
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Las principales desventajas de estos materiales son:
• Poco amigables con el ambiente • Baja reciclabilidad • Costo fluctuante • Pueden ser frágiles • Propiedades anisótropas • Degradación de la matriz • Baja reutilización
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Aplicaciones
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Modelamiento de materiales compuestos con elementos finitos Finite element modeling of composites
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Técnicas de modelamiento para compuestos
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Modelamiento microscópico
• La matriz y el material de refuerzo son modelados por separado como un continuo deformable.
Modelamiento macroscópico
• El compuesto es modelado como un solo material ortótropo o un solo material completamente anisótropo.
Modelamiento mixto
• El compuesto es modelado como un número discreto de capas reforzadas modeladas macroscópicamente.
Modelamiento del refuerzo discreto
• Modelado del refuerzo con elementos discretos u otras herramientas de modelamiento (ej. rebar)
Submodelamiento
• Útil para estudios sobre concentraciones de esfuerzos alrededor de las puntas de las fibras de refuerzo.
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Los compuestos pueden ser modelados como:
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• Shells con capas, sólidos con capas
• Elementos sólidos apilados
• Shells continuos apilados o en capas
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Modelamiento de daños
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• Daño progresivo y falla. Predicción de los modos de falla para la matriz y las fibras Criterio Hashin UMAT (Abaqus/estandar) VUMAT (Abaqus/explícito)
• Delaminación. Separación de la interface resina-fibra de los compuestos laminados. • Técnica Virtual Cercana a la Grieta
(VCCT) • Elementos cohesivos • Contacto cohesivo