COMPORTAMIENTO DE COMPONENTES ESTRUCTURALES
Anuncio
UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras COMPORTAMIENTO DE COMPONENTES ESTRUCTURALES BAJO CARGAS IMPULSIVAS ÍNDICE Índice Índice 1. Introducción 2. Clasificación de los ensayos 3. Necesidad de los ensayos dinámicos 4. Ensayos a velocidades de deformación medias 5. Ensayos a altas velocidades de deformación 6. Ensayos de tolerancia al daño INTRODUCCIÓN Materiales compuestos compuestos de de tipo tipo Materiales laminado laminado Propiedades elásticas E1, E2, E3 G12, G13, G23 ν12, ν13, ν23 Propiedades resistentes X, Y, Z X’, Y’, Z’ S12, S13, S23 INTRODUCCIÓN Características distintivas distintivas de de los los ensayos ensayos Características sobre materiales materiales compuestos compuestos sobre Anisotropía Fragilidad Fenómenos de daño complejos INTRODUCCIÓN Niveles de de complejidad complejidad Niveles Estructuras completas Componentes estructurales Subcomponentes estructurales Elementos estructurales Laminado Lámina Constituyentes INTRODUCCIÓN Niveles de de complejidad complejidad Niveles Estructuras completas Componentes Ensayos de caracterización estructurales Subcomponentes estructurales Elementos estructurales Laminado Laminado Lámina Constituyentes INTRODUCCIÓN Importancia de de los los ensayos ensayos Importancia Estructuras • Desarrollocompletas de nuevos materiales • Control de calidad • Análisis Componentes de fallos en servicio estructurales Subcomponentes estructurales Elementos estructurales Laminado Laminado Lámina Constituyentes CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS Índice Índice 1. Introducción 2. Clasificación de los ensayos 3. Necesidad de los ensayos dinámicos 4. Ensayos a velocidades de deformación medias 5. Ensayos a altas velocidades de deformación 6. Ensayos de tolerancia al daño CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS En función función del del modo modo de de carga carga En Tracción Compresión Cortadura plana Cortadura interlaminar CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS En función función del del modo modo de de carga carga En Ensayos de fractura Flexión Ensayos multiaxiales CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS En función función de de la la velocidad velocidad de de En deformación deformación Ensayos Observaciones o ε Ensayos estáticos o ε < 10−1 s−1 Ensayos a velocidades medias o −1 10 < ε < 10 s 2 −1 Ensayos a altas velocidades Ensayos a muy altas velocidades o 102 < ε < 104 s−1 o ε > 10 s 4 −1 Se pueden emplear fórmulas de Resistencia de Materiales Se realizan, en general, en máquinas universales de ensayo En algunos casos es posible usar las fórmulas de resistencia de materiales La respuesta de la estructura es global Se realizan en equipos como el péndulo Charpy o la torre de caída de peso Aparecen fenómenos de propagación de ondas Se emplean dispositivos como la barra Hopkinson, cañon de gas La respuesta es local Se emplean dispositivos pirotécnicos CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS En función función de de la la velocidad velocidad de de En deformación deformación Tiempo de duración del ensayo (s) 10-4 10-2 1 10-6 Cañón de gas Barra Hopkinson Péndulo Charpy Torre de caída de peso Máquina Servohidráulica de alta velocidad Máquina Servohidráulica Máquina Electromecánica 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 Velocidad de deformación (s1) NECESIDAD DE LOS ENSAYOS DINÁMICOS Índice Índice 1. Introducción 2. Clasificación de los ensayos 3. Necesidad de los ensayos dinámicos 4. Ensayos a velocidades de deformación medias 5. Ensayos a altas velocidades de deformación 6. Ensayos de tolerancia al daño NECESIDAD DE LOS ENSAYOS DINÁMICOS Características distintivas distintivas de de los los Características ensayos dinámicos dinámicos ensayos Necesidad de tener en cuenta efectos inerciales en el estudio Mayor complejidad mecánica de los dispositivos Mayores niveles de ruido en la señal registrada Dificultad para interpretar los datos Ausencia de normativa Los ensayos dinámicos son más complejos de realizar que los estáticos NECESIDAD DE LOS ENSAYOS DINÁMICOS Influenciade dela lavelocidad velocidadde de Influencia aplicaciónde dela lacarga cargaen enlas las aplicación propiedadesmecánicas mecánicas propiedades ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Índice Índice 1. Introducción 2. Clasificación de los ensayos 3. Necesidad de los ensayos dinámicos 4. Ensayos a velocidades de deformación medias 5. Ensayos a altas velocidades de deformación 6. Ensayos de tolerancia al daño ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Dispositivos empleados empleados Dispositivos Péndulo Charpy Tipos de ensayos - Flexión - Tracción Torre de caída de peso Tipos de ensayos - Flexión - Tracción - Flexión biaxial Izod (probeta con entalla) Charpy 3 puntos (probeta sin entalla) ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Péndulo Charpy Charpy Péndulo Martillo θo Probeta h o = L ⋅ (1 − cos θ o ) Instrumentación Vo ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Péndulo Charpy Charpy Péndulo Apoyos Instrumentación Péndulo Charpy Detalle del martillo y el dispositivo de apoyo ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Péndulo Charpy Charpy Péndulo Fuerza Medida fuerza Percutor instrumentado Tiempo Medida desplazamiento No se suele realizar de forma directa Se calcula por integración del registro fuerza-tiempo ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Torre de de caída caída de de peso peso Torre Percutor Probeta ho Vo Medidor de velocidad ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Torre de de caída caída Torre Util de flexión biaxial Util de flexión en tres puntos ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Torre de de caída caída de de peso peso Torre Medida Desplazamiento Percutor instrumentado Extensómetros •LVDT •Ópticos Fuerza Desplazamiento Medida fuerza Tiempo Tiempo También se calcula por integración del registro fuerza-tiempo ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Ensayo de de flexión flexión Ensayo PROPIEDADES: • Resistencia mecánica a flexión • Energía absorbida hasta rotura • Estimación de la rigidez a flexión Configuración Charpy/3-puntos GEOMETRÍA DE PROBETAS L/h > 32, 40, 60 h Configuración Izod ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Ensayo de de flexión flexión Ensayo Interpretación de de resultados resultados Interpretación m·g a (t) = Energía Péndulo Charpy F (t) m V0 a Integración F Tiempo x t Fuerza v ( t ) = v 0 − ∫ a ( t ) dt ⎞ t ⎛ t x ( t ) = ∫ ⎜ v 0 − ∫ a ( t ) dt ⎟ dt ⎟ 0 ⎜ 0 ⎝ ⎠ Fuerza 0 ⎞ ⎛ t t E( t ) = ∫ F( t ) ⎜ v 0 − ∫ a ( t ) dt ⎟ dt ⎟ ⎜ 0 0 ⎠ ⎝ Desplazamiento Tiempo ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Torre de caída de peso m·g aa a (t) = V0 x F (t) − m ⋅ g m Energía Ensayo de de flexión flexión Ensayo Interpretación de de resultados resultados Interpretación Integración Tiempo F t Fuerza v ( t ) = v 0 − ∫ a ( t ) dt ⎞ t ⎛ t x ( t ) = ∫ ⎜ v 0 − ∫ a ( t ) dt ⎟ dt ⎟ 0 ⎜ 0 ⎝ ⎠ Fuerza 0 ⎞ ⎛ t t E( t ) = ∫ F( t ) ⎜ v 0 − ∫ a ( t ) dt ⎟ dt ⎟ ⎜ 0 0 ⎠ ⎝ Desplazamiento Tiempo ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Ensayo de de flexión flexión Ensayo Ejemplo Ejemplo 20ºc -60ºc -150ºC 7 1000 6 Absorbed energy (J) 1200 800 Force (N) 20ºC 600 400 200 -60ºC -150ºC 5 4 3 2 1 0 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Displacement at mid-span point (m) 0.012 0 0.001 0.002 0.003 Time (s) 0.004 Ensayo de flexión sobre laminado unidireccional carbono/epoxi 0.005 ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Ensayo de de flexión flexión Ensayo Normativa Normativa No existe normativa específica. Se puede emplear la existente para materiales poliméricos • ASTM D256-81. Test for Impact Resistance of Plastic and Electrica Insulatin Materials • ASTM D5420-98ª. Standard Test Method for Impact Resistance of Flat, Rigid Plastic Specimen by means of a Striker Impacted by Falling Weight. • ISO 180:2000. Plastic-Determination of Izod Impact Strength • ISO 179-2000. Plastic- Determination of Charpy impact properties ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Ensayo de de flexión flexión biaxial biaxial Ensayo PROPIEDADES: • Energía absorbida hasta rotura GEOMETRÍA DE PROBETAS a a ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Fuerza a (t) = F (t) − m ⋅ g m Integración Energía Ensayo de de flexión flexión biaxial biaxial Ensayo Interpretación de de resultados resultados Interpretación t v ( t ) = v 0 − ∫ a ( t ) dt 0 Tiempo ⎞ t ⎛ t x ( t ) = ∫ ⎜ v 0 − ∫ a ( t ) dt ⎟ dt ⎟ 0 ⎜ 0 ⎝ ⎠ ⎞ ⎛ t t E( t ) = ∫ F( t ) ⎜ v 0 − ∫ a ( t ) dt ⎟ dt ⎟ ⎜ 0 0 ⎠ ⎝ Tiempo ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Energía Ensayo de de flexión flexión biaxial biaxial Ensayo Interpretación de de resultados resultados Interpretación Emáx E* Energía recuperada debida al comportamiento elástico • Rebote perfectamente elástico del material τ0 = Emáx • El percutor produce daño en el laminado Energía perdida debida a los fenómenos de rotura τ0 = Emáx Emáx > E* > 0 • El percutor perfora el laminado τ0 = Emáx t* Emáx > E* = 0 Tiempo En t = t* finaliza el contacto probeta-percutor Emáx depende de la energía cinética del percutor (τ0). Emáx = E* ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Ensayo de de flexión flexión biaxial biaxial Ensayo Ejemplo Ejemplo 5 ENERGIA ABSORBIDA (J) 4.5 4 3.5 3 Laminado 0/90 2.5 2 20ºC 1.5 -60ºC 1 -150ºC 0.5 0 0 1 2 3 4 5 ENERGIA DE IMPACTO (J) 6 7 Laminado [0/90]3S Laminado carbono-epoxi Tejido ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Ensayo de de tracción tracción Ensayo ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Ensayo de de tracción tracción Ensayo ENSAYOS A VELOCIDADES MEDIAS DE DEFORMACIÓN Ensayo de de tracción tracción Ensayo Fuerza PROPIEDADES: • • Tiempo Fuerza Integración Desplazamiento Resistencia mecánica Deformación a rotura GEOMETRÍA DE PROBETAS ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN Índice Índice 1. Introducción 2. Clasificación de los ensayos 3. Necesidad de los ensayos dinámicos 4. Ensayos a velocidades de deformación medias 5. Ensayos a altas velocidades de deformación 6. Ensayos de tolerancia al daño ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN Dispositivos empleados empleados Dispositivos Barra Hopkinson/ Máquina Universal de ensayos Tipos de ensayos - Tracción - Compresión - Cortadura - Flexión Cañón de gas Tipos de ensayos - Ensayos balísticos ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN Barra Hopkinson Hopkinson (Tracción) (Tracción) Barra Barra incidente Utiles de amarre εr Probeta Barra transmisora εt εi ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN Barra Hopkinson Hopkinson (Tracción) (Tracción) Barra PROPIEDADES: Probeta instrumentada Barra incidente Barra transmisora • • Resistencia mecánica Deformación a rotura FUENTE DE C.C. ACONDICIONADOR DE SEÑAL OSCILOSCOPIO Puente de bandas extensométricas Puente de bandas extensométricas ORDEDADOR GEOMETRÍA DE PROBETAS ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN Ensayo de de tracción tracción Ensayo Interpretación de de resultados resultados Interpretación Medida de la tensión Se calcula mediante la teoría de propagación de ondas elásticas unidimensionales Registro de deformaciones en las barras σ (t) = A b ⋅ E b ⋅ ε t (t ) Ap Medida de la deformación • Cálculo de la teoría de ondas 2 ⋅ c ⋅ ε r (t ) ε& p ( t ) = Lp t ε p (t ) = ∫ ε& p (τ) ⋅ dτ 0 • Medida directa a través de galgas extensométricas colocadas sobre la probeta ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN Barra Hopkinson Hopkinson (Flexión) (Flexión) Barra Probeta Proyectil Barra Incidente Bandas Extensométricas Útil Apoyo Cámara Amortiguador Barra Hopkinson Hopkinson (Flexión) (Flexión) Barra Medida Desplazamiento Se calcula mediante la teoría de propagación de ondas elásticas unidimensionales •Extensómetros ópticos •Cámaras de alta velocidad Registro de deformaciones en la barra incidente F (t ) = A b ⋅ Eb ⋅ ε t (t ) Fuerza Medida de la fuerza Desplazamiento ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN Cañón de de gas gas Cañón Ensayos balísticos balísticos Ensayos PROPIEDADES: Probeta • Límite balístico • Profundidad de penetración Medidores de velocidad GEOMETRÍA DE LAS PROBETAS Cañón Cámaras a a ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN Ensayos balísticos balísticos Ensayos Energía cinética residual (J) Vresidual Vimpacto Energía cinética inicial (J) Límite balístico Ensayo balístico sobre tejido polietileno/vinilester ENSAYOS A ALTAS VELOCIDADES DE DEFORMACIÓN Ensayos balísticos balísticos Ensayos Ejemplo Ejemplo Laminado carbono/epoxi •Temperatura: -60º C •Velocidad: 1530 km/h •Energía: 156 J Laminado cuasiisótropo Tejido NECESIDAD DE LOS ENSAYOS DINÁMICOS Índice Índice 1. Introducción 2. Clasificación de los ensayos 3. Necesidad de los ensayos dinámicos 4. Ensayos a velocidades de deformación medias 5. Ensayos a altas velocidades de deformación 6. Ensayos de tolerancia al daño ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO Fases del del ensayo ensayo Fases Ensayos de generación de daño Ensayos biaxiales Ensayos en torre de caída de peso Ensayos balísticos Ensayos de evaluación de daño Ensayos no destructivos Ensayos de resistencia residual Análisis C-Scan Ensayo de compresión después de impacto ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO Ensayos de de generación generación de de daño daño Ensayos Impacto Deslaminación Un impacto de baja energía no produce, generalmente, la rotura del laminado. El material todavía retiene la capacidad de soportar cierta carga, a pesar de haber sufrido un cierto daño, sea interno o superficial. ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO Resistencia residual (MPa) Resistencia residual (MPa) Ensayos de de resistencia resistencia residual residual Ensayos Energía de impacto (J) Energía de impacto (J) La capacidad de resistencia de un material dañado puede medirse ensayando bajo cualquier estado de carga: Tracción, compresión, flexión o fatiga. ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO Ensayo CAI CAI Ensayo Ensayo de compresión después de impacto ( CAI: Compresion After Impact ) P P La compresión es el estado más desfavorable ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO Ensayo CAI CAI Ensayo Resistencia a compresión BVD No visible Visible Visible en lado opuesto Energía de impacto Resistencia a compresión en función de la energía de impacto ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO Ensayo CAI CAI Ensayo PROPIEDADES QUE SE MIDEN: • Resistencia residual a compresión Placa superior GEOMETRÍA DE LAS PROBETAS Probeta 254-317 mm Soporte 178 mm Método CAI NASA Reference Publication 1092 ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO Ensayo CAI CAI Ensayo Normativa Normativa • NASA Reference publication 1092. Standard test for toughened resin composites • Boeing Standard Specifcation BSS7260, 1982 • DERA TR88021, ( CRAG method), 1988 Métodos de ensayo muy similares • Geometría de probeta • Ensayo de impacto ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO Ensayo CAI CAI Ensayo Sjöblom y Hwang (1989) ENSAYOS DE TOLERANCIA AL DAÑO Energía de impacto (J) Tiempo (ms) Resistencia normalizada a compresión Fuerza (kN) Ensayo CAI CAI Ensayo Ejemplo Ejemplo Energía de impacto (J) Tiempo (ms) Ensayo biaxial de daño a 5J Ensayo CAI Ensayo CAI sobre tejido vidrio/epoxi
