Antecedentes de la investigación

El estudio sobre el mecanismo de fallo de los materiales compuestos reforzados con fibras largas constituye el prerrequisito para los análisis y predicciones pertinentes, y asimismo proporciona una base teórica para la aplicación de dichos materiales en el ámbito industrial. El fallo transversal entre fibras, que puede darse en el plano, también es posible en laminados multidireccionales sometidos a una carga de impacto.

En 2022, la revista "Composite Structures" publicó el trabajo de investigación de la Universidad de Sevilla relativo a la prueba biaxial transversal de materiales compuestos reforzados con fibras largas. Los investigadores optimizaron el proceso de diseño y fabricación de la pieza de prueba en forma de cruz, exploraron el mecanismo de fallo bajo esfuerzo biaxial a través de pruebas biaxiales, estudiaron la influencia de la razón de carga biaxial en la carga de fallo y obtuvieron el criterio de fallo por deformación transversal bajo carga biaxial.

Diseño y preparación de la probeta

Geometría de la Pieza de Prueba

El diseño de la probeta es una importante innovación técnica de este trabajo de investigación. El equipo de investigación explicó esto combinando la simulación numérica y el experimento en el artículo anterior "Diseño de un cupón cruciforme utilizado para ensayos transversales biaxiales de tracción en materiales compuestos". La racionalidad del diseño de la probeta. Sobre la base de esto, los investigadores primero describen el diseño de muestra en forma de cruz utilizado en las pruebas biaxiales transversales y luego describen los procedimientos de fabricación específicos empleados.

Proceso de Preparación de la Pieza de Prueba

Los investigadores diseñaron un molde especial para la fabricación de un cuerpo embrionario en forma de cruz a través de preimpregnado, y luego lo cortaron y mecanizaron con CNC sobre esta base, y finalmente obtuvieron una pieza de prueba en forma de cruz con un centro adelgazado. Las etapas específicas son las siguientes: (a) Paso 1: proceso de compactación. b) Paso 2: Corte a medida. (c) Paso 3: Montaje vertical horizontal. (d) Paso 4: El curado está en curso. e) Paso 5: Después del curado. (f) Paso 6: Corte con sierra circular de diamante. g) Paso 7: Inspección óptica. (h) Paso 8: Mecanizado CNC de utillajes. (i) Etapa 9: probeta final y hoja de refuerzo. Entre ellos, se utiliza la nueva tecnología de mecanizado CNC y el diseño de máquinas herramienta auxiliares en el paso 8, que proporciona una referencia para el proceso de mecanizado en trabajos de investigación similares.

Equipo de Carga de la Prueba

Relación entre la Tensión Vertical σv y la Tensión Horizontal σh

Los investigadores realizaron cargas de tensión-tensión (T-nT) y tensión-compresión (T-nC) perpendiculares a la dirección de la fibra, y obtuvieron la ley de la influencia de la relación de carga biaxial en la carga de falla. El análisis de los resultados de la prueba muestra que en todos los casos el mecanismo de falla resultante está determinado por la fuerza de tracción principal, de modo que la dirección del plano de falla siempre es perpendicular a esta fuerza de tracción. Por otro lado, la presencia de una carga de tracción secundaria (caso T-nT) no parece tener un efecto significativo en el valor de la carga de tracción externa (fuerza de tracción primaria) que conduce a la falla, mientras que en el caso de T-nC la presencia de una carga de compresión secundaria resulta en un valor más bajo para la carga de tracción principal.

Posición y Dirección de la Superficie de Fallo

A través de las pruebas, los investigadores también pudieron evaluar el rendimiento de las muestras diseñadas para diferentes casos de carga. Desde la perspectiva del diseño de la pieza de prueba biaxial, la falla final ocurre en el área esperada, lo que está en línea con las expectativas del diseño original. Por lo tanto, en el caso de T-nT y T-nC, el valor de compresión externa es moderado, lo cual es un diseño factible. Para valores tan altos de compresión secundaria, es necesaria alguna modificación de la geometría u otro tipo de sistema de aplicación de carga.

Punto de Inicio de Daño

Mediante el uso de cámaras de alta velocidad y el análisis de las piezas de prueba posteriores a la falla, los investigadores pudieron determinar el inicio de la falla macroscópica, encontrando patrones específicos según los casos de carga utilizados. Estos resultados también justifican el proceso de fabricación y proporcionan evidencia experimental, que puede ser de gran interés para futuros análisis numéricos que evalúen el estado de tensión de la zona de falla.

Relación de Fallo por Deformación Transversal bajo Carga biaxial

Además, los investigadores obtuvieron mediciones de galgas extensométricas en el centro de la sección de prueba. En primer lugar, los investigadores estimaron la tensión correspondiente comparando la relación de biaxialidad que afecta a la región central de la muestra con la relación de biaxialidad asociada a la carga externa en el momento del fallo. En segundo lugar, se verifica nuevamente que los resultados de las pruebas son consistentes con la caracterización del material. Finalmente, se identificó una tendencia lineal en la deformación de falla, lo que permitió una derivación preliminar del criterio de falla de deformación transversal bajo carga biaxial.

Resumen

 1. La dirección de la superficie de falla de la pieza de prueba siempre es perpendicular a la dirección de la tensión principal, lo que verifica que el mecanismo de falla esté controlado por la tensión principal. La presencia de una carga de tracción secundaria no tuvo un efecto significativo en el valor de la fuerza de tracción primaria que condujo a la falla, y la presencia de una carga de compresión secundaria resultó en una disminución en el valor de la carga de tracción primaria. Se encontró el punto de inicio de la falla en la región central de la pieza de ensayo. Se exploró el mecanismo de falla por tensión biaxial y se estudió el efecto de la relación de carga biaxial sobre la carga de falla.

2. Los resultados de la prueba son consistentes con la deformación y resistencia a la tracción transversal en la caracterización del material. A partir de las estimaciones de las tensiones correspondientes, se comparó la relación biaxial que afecta a la región central de la probeta con la asociada a la carga externa en el momento de la fractura. Se obtiene el criterio de fallo de la deformación transversal bajo carga biaxial.