Aplicación de criterio de falla para compuestos reforzados con Non-Crimp Fabrics en compuestos reforzados con tejido de fibra unidireccional.

Abstract

Los materiales compuestos de polímero reforzado con fibra están siendo utilizados cada vez más en una gran variedad de aplicaciones, dentro de las configuraciones estándares de refuerzos de fibras, los tejidos unidireccionales de fibra y los tejidos del tipo sin ondulación o NCF (Non-Crimp Fabrics) presentan varias ventajas frente a las configuraciones clásicas de refuerzos como las láminas unidireccionales (pre-preg) y tejidos entrelazados. Una característica muy importante en los compuestos reforzados con estos tejidos es que presentan un comportamiento ortotrópico, lo que quiere decir que tienen tres ejes principales ortogonales a lo largo de los cuales se definen sus propiedades mecánicas. Para poder incluir estos materiales en proyectos de diseño, es necesario predecir el inicio de falla en todas sus direcciones, principalmente en su dirección fuera del plano ya que generalmente presentan menores propiedades mecánicas en esta dirección. El uso de criterios de falla clásicos, que consideran isotropía transversal, para evaluar estos compuestos, implica una sobrestimación de su resistencia fuera del plano, lo que se podría traducir en un diseño no conservador e incluso catastrófico. Dentro de los criterios de falla propuestos para materiales ortotrópicos destaca el criterio de Molker (2016) desarrollado para materiales reforzados con tejidos Non-Crimp Fabrics, ya que está basado en el criterio de LaRC05, por lo que considera como base los modos de falla de este criterio y le adiciona dos modos de falla en la dirección fuera del plano propios de los materiales reforzados con NCF. Dada la similitud en configuración y comportamiento ortotrópico de los compuestos reforzados con tejidos de fibra unidireccional y los reforzados con tejidos Non-Crimp Fabrics, en esta investigación se analiza la falla fuera del plano en materiales compuestos reforzados con tejido de fibra de vidrio unidireccional, mediante la implementación del criterio de falla de Molker. La validación de la predicción de falla fuera del plano se lleva a cabo mediante la comparación de resultados de ensayos numéricos y experimentales de una geometría de prueba. Se programa el criterio de falla en forma de módulo acoplado a un modelo constitutivo disponible (paquete MEF), se caracteriza el material (propiedades mecánicas) y se determinan los parámetros del criterio de falla para el compuesto reforzado con fibra unidireccional. La comparación de resultados de carga crítica (carga de inicio de falla) arroja que si bien el inicio de falla, para ambos casos, se debe principalmente a esfuerzos fuera del plano (interbundle failure) y en una ubicación similar en la geometría de prueba, la carga determinada de forma numérica resulta 16,8% superior a la encontrada de forma experimental. La comparación de los resultados obtenidos en esta investigación con los resultados de carga crítica obtenidos mediante la aplicación de otros criterios de falla que consideran isotropía transversal, indica que el uso del criterio ortotrópico de Molker para determinar el inicio de falla transversal fuera del plano en materiales reforzados con tejido de fibra unidireccional implica una mejora importante con respecto a los criterios hoy en día utilizados y aplicados a este tipo de materiales.