Estudio teórico-experimental del comportamiento a impacto de baja velocidad de piezas estructurales fabricadas con termoplásticos

Resumen

Los materiales termoplásticos se emplean, cada vez en mayor medida, como sustitutos de metales en aplicaciones estructurales en las que la ligereza juega un papel fundamental. En muchas de estas aplicaciones el comportamiento a impacto es clave, por tratarse de un tipo de solicitación que provoca la rotura catastrófica de componentes, pudiendo llegar a poner en peligro la integridad física de los usuarios. El complejo comportamiento a impacto que presentan este tipo de materiales dificulta el empleo de métodos ingenieriles de diseño, como el método de elementos finitos, para reducir costes y plazos de fabricación. Esta problemática presenta dos frentes destacados: por una parte, la carencia de protocolos normalizados de caracterización que permitan obtener las propiedades de los materiales termoplásticos en condiciones de impacto, válidas para su empleo como datos de entrada en los programas de elementos finitos. por otra, el hecho de que la mayoría de modelos constitutivos de material disponibles en los programas de elementos finitos hayan sido desarrollados para otro tipo de materiales que no presentan las particularidades de los termoplásticos en condiciones de impacto. En este trabajo se ha propuesto un nuevo método de caracterización a impacto de termoplásticos, basado en la técnica experimental de impacto-tracción instrumentado, que ha permitido obtener las curvas tensión-deformación del polipropileno a velocidad de deformación constante. Esta información ha sido introducida en un programa de elementos finitos empleando modelos de material sencillos disponibles en el propio programa. Se han simulado los ensayos de impacto-tracción realizados para la caracterización, así como ensayos de impacto-indentación. La correlación numérico-experimental de los resultados ha demostrado la validez del método para predecir tanto la evolución de la fuerza en el tiempo, como la mínima energía necesaria para producir la rotura de las probetas en la configuración de impactotracción. Además, se ha puesto de manifiesto la gran diferencia de comportamiento del material en las configuraciones de impacto-tracción e impacto-indentación. La correlación numérico-experimental de las curvas desplazamiento-tiempo en ambas configuraciones ha permitido detectar algunos aspectos fundamentales a tener en cuenta, como la necesidad de considerar, tanto a nivel de caracterización como de modelo constitutivo, el comportamiento del material en la descarga y la dependencia del módulo de elasticidad y del límite elástico con la velocidad de deformación.