3d detailed fe parametric model for a composite bolted joined test under shear-tension interaction

163 Pages·2012·7.02 MB·English

by  Jorge Kraemer

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
3D DETAILED FE PARAMETRIC MODEL
FOR A COMPOSITE BOLTED JOINED TEST
UNDER SHEAR-TENSION INTERACTION
Autor: Jorge Kraemer Ávila
Director: M.Sc. B.Eng. Eju Baruah (Airbus Operations GmbH)

Madrid
Junio 2012

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
3D DETAILED FE PARAMETRIC MODEL
FOR A COMPOSITE BOLTED JOINED TEST
UNDER SHEAR-TENSION INTERACTION
Autor: Jorge Kraemer Ávila
Director: M.Sc. B.Eng. Eju Baruah (Airbus Operations GmbH)

Madrid
Junio 2012
3D DETAILED FE PARAMETRIC MODEL FOR A COMPOSITE
BOLTED JOINT TEST UNDER SHEAR-TENSION INTERACTION
Autor: Kraemer Ávila, Jorge
Director: Baruah, Eju

Entidad Colaboradora: Airbus Operations GmbH
Resumen
Hoy en día, el número de vuelos está creciendo exponencialmente, por ese motivo es
indispensable encontrar nuevas formas de ahorro de combustible. Los materiales
compuestos avanzados presentes en una era de cambio climático y rápida disminución
de los recursos fósiles, no son sólo una oportunidad para crear robustas e innovadoras
estructuras que ahorren peso para la industria aeronáutica, sino también un gran reto de
la ingeniería, como se puede observar en este estudio sobre el comportamiento de Test
ARCAN. La fabricación, el mantenimiento y la necesidad de estructuras capaces de
soportar carga de manera fiable hacen indispensable el uso de juntas mecánicas. Dada la
falta de experiencia con materiales compuestos en comparación con el metal en general
y con articulaciones en particular, el diseño de estructuras compuestas fiables es una
cuestión de gran desarrollo así como los costes de experimentación.
Con el fin de reducir estos costes de experimentación y por lo tanto reducir el tiempo de
entrega de diseño, avanzados métodos numéricos deben ser establecidos para validar los
resultados de las pruebas con precisión. Con esta finalidad y mediante el uso del código
de elementos finitos Abaqus Explicit, se ha realizado una investigación sobre el
comportamiento de parámetros físicos y materiales en una junta mecánica de materiales
compuestos bajo una carga cuasi-estática a través el Test ARCAN.
Retainig 
Block
Bolts
PartCreator
Coupon
Nuts
Materials
Property
Terminal Sections
Assembly
Meshing
Interaction
Steps

El funcionamiento interno del simulador consiste en una secuencia de comandos
principal, llamada "Terminal", que está a cargo de la gestión de scripts y datos.
Este script recibe los parámetros de entrada del interfaz de usuario (abajo
mostrado) y gestiona todos los sub-scripts de comandos que envían de vuelta al
usuario la salida solicitada, es decir, el modelo 3D. Tal como se presenta en el
diagrama de flujo anterior, la herramienta se compone de la script de comandos
principal y seis sub-scripts de comandos, cada uno de estos sub-scripts está a
cargo de una de las partes principales del modelo FE generados automáticamente
con el pre-procesador Abaqus CAE. Algunos de estos scripts de comandos se
dividen en varias funciones con el fin de armonizar el código.

En una primera fase, el usuario llama al plugin mediante el pre-procesador, la siguiente
interfaz gráfica de usuario aparece (arriba mostrado), que permite la selección de varios
sub-menús. Dentro de cada sub-menú, una amplia gama de modelos y definiciones de
propiedad aparece, que permite la selección de las propiedades necesarias para crear el
modelo con las aportaciones correspondientes, y simular el modelo generado.
Solids_wocoh
Experimental Results
]
N
k
[
1
F
R
0 1 2 3 4 5
U1[mm]
Para tensión cortante pura, un método simple
utilizando elementos sólidos para las capas de
material compuesto unidas por "tie constraint"
ofrece un buen enfoque debido al hecho de que la
rigidez global del modelo está dominado
principalmente por rigidez del laminado, en
particular, dominado por la rigidez en la dirección
1 y 2, este comportamiento queda bien
reproducido por la subrutina material.
Para tensión pura, la aproximación antes
mencionada es buena para el cálculo de la rigidez,
pero ha de ser mejorada con el fin de capturar el
fallo de delaminación. Por esta razón, la
aproximación con "cohesive elements" se ha
implementado, con resultados aún mejores para la
rigidez y la captura del fallo inter-laminar, el
único problema que presenta este método es el
enorme costo computacional en comparación con
la aproximación anterior. Por esta razón, se ha
implementado la aproximación de "cohesive
contact" se ha utilizado. Para obtener mejores
resultados con este enfoque, una versión más
madura del código de elementos finitos Abaqus
Explicit ha de ser probado y utilizado, dónde las
incoherencias numéricas durante los análisis se
han eliminado.
La subrutina material utilizada para este estudio
no tiene en cuenta la diferencia entre el fallo a
tensión y a compresión de la fibra ni de la matriz,
por esta razón se recomienda ejecutar los modelos
utilizando subrutinas de material más complejas,
ya que el "Enhanced Hashin" o el desarrollado