Desarrollo de modelos predictivos de comportamiento de uniones mecánicas de material compuesto

231 Pages·2015·13.18 MB·Spanish

by  Álvaro Olmedo Marcos

TESIS DOCTORAL

Desarrollo de modelos predictivos de
comportamiento de uniones mecánicas
de material compuesto

Autor:
Álvaro Olmedo Marcos

Directores:
Dr. Carlos Santiuste Romero
Dr. Enrique Barbero Pozuelo

DEPARTAMENTO DE MECÁNICA DE MEDIOS CONTINUOS Y TEORÍA DE
ESTRUCTURAS

Leganés, Julio 2015
Esta p´agina est´a en blanco de manera intencionada
TESIS DOCTORAL

Desarrollo de modelos predictivos de comportamiento de
uniones mecánicas de material compuesto

Autor: Álvaro Olmedo Marcos

Directores: Dr. Carlos Santiuste Romero
Dr. Enrique Barbero Pozuelo

Firma del Tribunal Calificador:

Firma
Presidente: (Nombre y apellidos)

Vocal: (Nombre y apellidos)

Secretario: (Nombre y apellidos)

Calificación:

Leganés, de de
Esta p´agina est´a en blanco de manera intencionada
Agradecimientos
Para comenzar, querr´ıa dar las gracias a mis directores Carlos Santiuste y Enrique Bar-
bero, por su esfuerzo y dedicaci´on durante todas las fases de la realizacio´n de esta tesis,
especialmente ya en su fase final donde sin su apoyo no hubiese sido posible.
Agradecerelapoyoincondicionaldelaqueheconsideradocomolaterceradelosdirectores
de la tesis, la profesora Henar Migu´elez, que sin esperar nada a cambio, me ha ayudado
a la hora de lograr los objetivos que me hab´ıa planteado.
Hacer mencio´n de los que fueron mis compan˜eros de despacho Josu´e, Marta y Jose, no
solo por las aportaciones cient´ıficas sino por las humanas. Y al resto del equipo, como
Mat´ıas por sus buenos momentos, Pernas, Vaz; y especialmente Marcos, por su amistad
y ayuda ofrecida cuando ma´s limitado de tiempo me encontraba.
Al departamento, como parte institucional de la universidad por brindarme la oportuni-
dad de realizar esta Tesis Doctoral, y proporcionarme una formaci´on espec´ıfica que no
esta´ al alcance de todo el mundo, abri´endome la mente y un futuro.
A la universidad de Limerick, en especial al Dr. Conor McCarthy y su grupo, por propor-
cionarme la ocasi´on de realizar una estancia con el equipo m´as especializado en el tema
de esta tesis.
A mis padres, hermanos y a mi incansable compan˜era de fatiga, Patricia, por su apoyo y
a´nimo durante todas las fases de este trabajo, enriqueci´endome como persona.
A todos aquellos que, aunque no est´en mencionados en este trozo de papel, de una manera
u otra han colaborado o realizado aportaciones que han hecho que este trabajo fuese
posible.
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Esta p´agina est´a en blanco de manera intencionada
“El ignorante critica porque cree saberlo todo, el inteligente respeta porque cree que puede
aprender algo nuevo.”
Albert Einstein
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Esta p´agina est´a en blanco de manera intencionada
Resumen
La presente Tesis Doctoral aborda el estudio de las uniones meca´nicas a trav´es del desa-
rrollo de modelos teo´ricos que sean capaces de predecir el comportamiento de las mismas.
Para ello se han abordado los dos tipos de uniones mec´anicas ma´s comunes en las estruc-
turas aeron´auticas, como son la unio´n a solape doble y simple.
Para el caso de la unio´n a solape doble mediante pasador, se ha propuesto un modelo
anal´ıtico que combina dos submodelos. El primero de ellos predice la rigidez a nivel global
en la unio´n, mediante el empleo de un modelo masas-muelles. El segundo de ellos predice
la rotura en la uni´on, analizando las tensiones producidas en cada una de las la´minas del
laminado en las inmediaciones del agujero a nivel local. La verificaci´on de un fallo en el
segundo submodelo afecta a la rigidez del global del primer submodelo. La interacci´on
entre estas dos v´ıas da un modelo completo que predice el comportamiento de la unio´n a
solape doble con un bajo coste computacional.
Cuando la uni´on se ha disen˜ado con una disposici´on a solape simple, se ha propuesto en
este caso dos v´ıas para su an´alisis:
La primera es mediante un modelo anal´ıtico de masas-muelles para la prediccio´n a nivel
global del comportamiento de la uni´on en el rango ela´stico. Para ello se ha propuesto
considerar la flexio´n secundaria dependiente u´nicamente de los para´metros geom´etricos y
del material; en lugar de para´metros experimentales como se venido haciendo hasta ahora
en la literatura cient´ıfica.
Para la segunda v´ıa se ha desarrollado un modelo num´erico completo que pudiese pre-
decir el comportamiento de la unio´n en todas sus fases, en zona ela´stica y cuando el
dan˜o aparece y adema´s se propaga. El modelo num´erico consigue predecir la aparici´on
y propagacio´n del fallo, que con el modelo anal´ıtico no se pod´ıan abordar debido a la
complejidad en el comportamiento de la unio´n. Para la caracterizacio´n del dan˜o en la
unio´n se ha propuesto un nuevo criterio de rotura, que considera el efecto de las tensiones
fuera del plano debidas al par de apriete y a la flexi´on secundaria.
Los modelos propuestos han sido validados mediante la realizacio´n de ensayos experimen-
tales y la comparacio´n con resultados publicados en la literatura.
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Abstract
This PhD Thesis discusses a mechanical joints study through the development of predic-
tive models. The two most common types of mechanical joints in aeronautical structures,
double-lap and single-lap joints, have been analysed in this work.
In the case of double-lap joint by pin, an analytical model that combines two sub-models
is proposed. The first predicts global stiffness by the use of a spring-mass model. The
second sub-model predicts how the joint fails, analyzing the stresses field in the vicinity
of the hole in each layer. Verifying a presence of failure in the second submodel affect the
stiffness of the first submodel. The interaction between these two paths gives a complete
model that predicts the behaviour of the double-lap joint by pin with low computational
cost.
When the joint is designed using a simple-lap configuration, two pathways for analysis
are proposed:
The first is an analytical spring-mass model for predicting the global behaviour in the
elastic range. For this, the model considers that the secondary bending effect is dependent
on the geometrical parameters and material; instead of experimental parameters, as it is
indicated, until now, in scientific literature.
For the second way, a completed numerical model that predicts the joint behaviour, has
beendeveloped.Thenumericalmodelpredictsthedamageanditspropagation,duetothe
complexity of the damage modes the analytical model was not able to predict the joint
failure. A new set of failure criteria was developed to include the out-of-plane stresses
produced by secondary bending and torque.
The present models have been validated through the comparison with experimental tests
and results published in scientific literature.
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