Los materiales compuestos tejidos en 3D se utilizan ampliamente en sectores como la aeronáutica y el espacio, la fabricación de automóviles y la energía eólica, gracias a sus excelentes propiedades mecánicas, resistencia al impacto y flexibilidad en el diseño. A diferencia de los materiales compuestos laminados tradicionales, estos tejidos incorporan fibras de refuerzo en la dirección del grosor, lo que permite prevenir eficazmente el desprendimiento por estratificación y aumentar así la resistencia y durabilidad de la estructura.

Sin embargo, en la práctica, los materiales compuestos tejidos en 3D suelen someterse a estados de tensión mucho más complejos, como la tracción biaxial o el cizallamiento. Estos estados complejos pueden provocar mecanismos de daño internos complejos, lo que afecta su comportamiento global. Por ello, estudiar el comportamiento de fallo de estos materiales bajo carga de tracción biaxial es fundamental para optimizar el diseño del material y mejorar la fiabilidad estructural.

En 2022, un equipo de investigación de la Universidad Politécnica de Harbin publicó en la revista *Composite Science and Technology* un artículo titulado "Un enfoque combinado experimental y numérico para investigar los comportamientos de fallo de compuestos tejidos 3D bajo carga de tracción biaxial". Los investigadores utilizaron una combinación de experimentos y simulaciones numéricas para estudiar sistemáticamente el comportamiento de fallo de los compuestos tejidos 3D bajo carga de tracción biaxial.A través de observaciones experimentales del proceso de evolución de la daña y combinadas con simulaciones numéricas, se revela el mecanismo de fallo, lo que proporciona un respaldo teórico para el diseño de materiales y su aplicación en ingeniería.

Diseño y fabricación de las piezas de prueba

Los investigadores analizaron primero las ventajas y desventajas de los diseños existentes de las muestras de ensayo de tracción en cruz biaxial, y luego optimizaron dichas muestras teniendo en cuenta las propiedades del material 3DWC, tal como se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Esquema dimensionado del prototipo de prueba de compuesto tridimensional tejido con diseño de cruz biaxial

El mecanizado de la zona de delgadura central en piezas de ensayo biaxiales ha sido un desafío constante en la industria, ya que suele ser difícil garantizar una precisión elevada. Los investigadores han empleado tecnología CNC para lograr el mecanizado multiaxial de estructuras complejas, lo que permite una gran adaptabilidad y una alta calidad del mecanizado. El análisis en coordenadas tridimensionales del proceso de mecanizado se muestra en la Figura 2(b).

Los investigadores utilizaron placas de refuerzo para aumentar aún más la capacidad de carga del brazo de carga. Asimismo, se aplicó una película adhesiva roja de alta resistencia entre el brazo de carga y las placas de refuerzo, con el fin de evitar su desprendimiento durante las pruebas. La pieza de prueba de tipo cruzia biaxial 3DWC con placas de refuerzo de aluminio se muestra en la Figura 3.

Figura 3: Proba en forma de cruz de un material compuesto 3D tejido con placas de refuerzo

Cargue el dispositivo

La prueba de tracción biaxial realizada en este estudio se llevó a cabo en un equipo de ensayo biaxial planar servo-hidráulico MTS, con una carga máxima de 100 kN, y se utilizó la tecnología DIC para la captura de la deformación tridimensional.

Figura 4: Máquina de ensayo plana biaxial MTS y sistema DIC tridimensional

Modelado multiescala de materiales compuestos tejidos en 3D

Los investigadores realizaron un análisis detallado basado en el RVE, tomando en cuenta la geometría real del prototipo y los parámetros materiales, y establecieron un modelo tridimensional de elementos finitos. Mediante un enfoque de mecánica microscópica, se modelaron por separado el haz de fibras y la matriz, con el fin de representar de manera más fiel la estructura microscópica del material, tal como se muestra en la Figura 5.

Figura 5 Unidad de volumen representativa a escala microscópica

El modelado de la escala estructural tiene en cuenta principalmente las diferencias materiales y estructurales entre las fibras y el sustrato. La estructura de tejido interno presenta una disposición periódica en las direcciones X e Y, y el grosor total consta de 8 hilos de trama y 9 hilos de lana, que se apilan secuencialmente para lograr una mayor integridad estructural y un mejor rendimiento fuera del plano, tal como se muestra en la Figura 6.

Figura 6: Unidad de volumen representativa a escala mesoscópica

Los investigadores desarrollaron un nuevo método de modelado geométrico en escala real que permite caracterizar las complejas propiedades geométricas de las hilas, define automáticamente la orientación local del material y es aplicable a estructuras de formas heterogéneas. Este método se empleó para reconstruir una pieza de prueba de tipo cruz biaxial en 3DWC, y se detallan en la Figura 7 los procedimientos de malla y las condiciones de contorno.

Figura 7: Modelo macroscópico mediante elementos finitos y orientación local del material en la pieza de ensayo en forma de cruz biaxial

Verificación experimental de ensayos biaxiales mediante modelado por elementos finitos

Los investigadores utilizaron el factor de amplificación de la tensión para establecer la relación de transferencia entre la tensión mesoscópica y la tensión microscópica, y combinando esta relación con la teoría de la ruptura por mecanica microscópica, propusieron una constitución de daño multiescala. Los resultados indican que la forma de la pieza de ensayo diseñada cumple con los requisitos del ensayo biaxial, y que el modelo de simulación reproduce con precisión la morfología del daño, tal como se muestra en la Figura 8.

Figura 8: Comparación de la morfología de las grietas superficiales entre el ensayo y la simulación

La respuesta mecánica del ensayo y la simulación coincide bien, como se muestra en la Figura 9. Los principales patrones de daño en esta pieza de ensayo son la rotura de fibras en el haz, la fractura del matriz y la destrucción del matriz puro.

Figura 9: Comparación de la curva de deformación frente a la tensión en la zona central de la pieza de prueba entre el ensayo y la simulación

La importancia práctica de este estudio

1. Este estudio desarrolló un nuevo método de modelado geométrico a escala completa que permite caracterizar las propiedades geométricas mesoscópicas de las fibras de hilo, define automáticamente la orientación local del material y es aplicable a estructuras macroscópicas de forma irregular, para la reconstrucción de una pieza de ensayo de tracción biaxial en forma de cruz de 3DWC;                             2. A partir de la teoría MMF, se propone un modelo de daño multiescala que integra cálculos numéricos a escala microscópica, mesoscópica y macroscópica, destinado a predecir el comportamiento de ruptura en tracción biaxial de 3DWC. Mediante un factor de amplificación de la tensión, se establece la relación de transferencia entre la tensión mesoscópica y la tensión microscópica, lo que permite determinar por separado el estado de daño de la matriz y de las fibras en el hilo, sin necesidad de suponer que el feixe de fibras es un material homogéneo isotrópico transversalmente.

La contribución teórica del texto completo

1. Según el análisis de la distribución de la deformación en el campo y de la morfología de las grietas, el prototipo de ensayo en cruz biaxial diseñado en este estudio puede satisfacer simultáneamente las condiciones de prueba para diversas proporciones y formas de carga. La rotura de las fibras longitudinales, la fisuración entre las fibras transversales y la destrucción de la matriz son los tres principales modos de fallo del 3DWC bajo carga de tracción biaxial.

2. A través de la comparación entre los resultados experimentales y los predichos, el proceso de evolución del daño en el 3DWC bajo carga de tracción biaxial es el siguiente: primero se producen la destrucción del matriz interno de la hilo y la destrucción del matriz puro en la zona central biaxial, el filo redondeado y el brazo de carga; a medida que aumenta la carga, las grietas iniciales se acumulan progresivamente, ocurren roturas de fibras en la hilo de trama que se extienden a múltiples haces de fibras, lo que provoca la pérdida de la capacidad de carga en la dirección de la hilo de trama; rápidamente aparecen roturas de fibras en la hilo de hilo, y finalmente la estructura completa se falla por completo.

Fuente del artículo:

Zheng T, Huang J, Guo L, Sun R, Huang T, Zhou J, Jia F, Hong C. Un enfoque combinado experimental y numérico para investigar los comportamientos de falla de compuestos tejidos 3D bajo carga de tracción biaxial. Compos Sci Technol 2023; 236: 109974.

Enlace al texto original:

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.109974.