Micromechanics models for damage and fracture of fiber-reinforced polymers

Resumen

En la actualidad, el empleo de materiales compuestos poliméricos reforzados con fibras (FRP) se ha intensificado en aplicaciones que requieren materiales con altas propiedades específicas. Numerosos modelos constitutivos fenomenológicos y con base física han sido propuestos en la literatura para predecir la respuesta mecánica de láminas unidireccionales de estos materiales. No obstante, los parámetros requeridos por dichos modelos hace necesaria la ejecución de extensas y costosas campañas experimentales. Es por esto que los ensayos virtuales de materiales compuestos aparecen como una prometedora alternativa para reducir los programas experimentales dedicadas a la caracterización mecánica de estos materiales. Además, dado que el fallo de los FRPs está controlado por fenómenos que tienen su origen a escala microscópica, es fundamental adoptar una estrategia basada en la multiescala, capaz de capturarlos mediante modelos micromecánicos. Cabe destacar que esta tesis forma parte de la estrategia multiescala desarrollada por el Grupo de Materiales Compuestos del Instituto IMDEA Materiales durante los últimos años. En esta tesis, se amplia la capacidad de la micromecánica computacional (CMM) para establecer predicciones virtuales de varios procesos de fractura en compuestos unidireccionales reforzados con fibras con respecto al estado del arte. Para ello, las propiedades mecánicas de los constituyentes del material compuesto son determinadas mediante micromecánica experimental. A este respecto, se han desarrollado dos nuevas técnicas experimentales para la caracterización longitudinal de las fibras. La primera consiste en ensayos de tracción en fibras individuales con una entalla para medir su tenacidad de fractura; mientras que la segunda técnica se basa en la compresión de micropilares tallados en la sección transversal de fibras con los que obtener su resistencia a compresión. Se ha evaluado el efecto de la sección transversal de la fibra sobre la resistencia transversal de una lámina unidireccional mediante CMM, haciendo uso de elementos representativos de volumen (RVE) con condiciones de contorno periódicas (PBC). El despegue de la intercara fibra/matriz se representa a través de un modelo de zona cohesiva (CZM) con una ley de tracción-separación, mientras que un modelo elasto-plástico, dependiente de la presión hidrostática, que incluye daño por tracción y compresión se emplea para capturar el comportamiento no lineal de la matriz. El comportamiento mecánico de ambos constituyentes se calibra utilizando las propiedades obtenidas por medio de los ensayos micromecánicos mencionados anteriormente. Aprovechando la estrategia CMM, se ha analizado el fenómeno de ``kinking'' de las fibras que tiene lugar cuando una lámina unidireccional es sometida a cargas de compresión en la dirección de las fibras. Un RVE de un apilamiento de láminas a ±45º y un modelo 3-D de una sola fibra se han empleado conjuntamente para estimar la resistencia a compresión de una lámina unidireccional y compararla con las predicciones de la teoría de kinking de fibras (FKT). Adicionalmente, los resultados en régimen de post-fallo del modelo CMM han sido comparados con las predicciones de un modelo de daño continuo (CDM) desarrollado por A.C. Bergan (NASA Langley Research Center) para modelos de mesomecánica computacional. Cabe destacar que el modelo CMM se ha empleado para predecir los parámetros de entrada requeridos por el modelo CDM. En esta tesis, las capacidades de la micromecánica computacional se han ampliado desde la predicción de las propiedades elásticas y resistencias hasta la simulación de procesos de fractura en materiales compuestos. Para caracterizar la tenacidad de microestructuras heterogéneas, se ha desarrollado una estrategia original para el estudio de procesos de fractura en materiales quasi-frágiles. Este método se basa en el campo de desaplazamientos alrededor de la punta de una grieta proporcionado por la mecánica de fractura elástica lineal (LEFM) en modo I. Esta técnica se aplica al análisis virtual de la propagación de una grieta intralaminar sometida a tracción mediante un modelo 2-D de celda embebida. El proceso de fractura es capturado con gran precisión, no sólo por la energía de fractura intralaminar, sino por la forma característica de la curva de crecimiento de grieta (curva-R). A continuación, la respuesta a fractura de la microestructura es homogeneizada mediante una ley de ablandamiento equivalente, que puede ser empleada en modelos constitutivos en escalas superiores (mesomecánica computacional). Todas las microestructuras han sido obtenidas a partir de una metodología nueva y muy versátil que ha sido incluida en una interfaz de usuario desarrollada por el autor llamada Viper, acelerando la fase de pre-proceso en éste y futuros trabajos.