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El grupo de investigación en Mecánica de Materiales Avanzados del Departamento de Mecánica de Medios Continuos de la Universidad Carlos III de Madrid (España) ofrece su experiencia en el análisis y modelización del comportamiento frente a impacto de alta y baja velocidad de elementos estructurales fabricados con materiales compuestos. Su investigación está orientada tanto al análisis numérico como al desarrollo de metodologías experimentales no convencionales.

5 pages, 13 figures. [EN] A polymeric material loaded with ceramic particles was developed and its static and impact behaviors were determined. A vinylester resin, used as matrix, was reinforced with alumina or silicon carbide particles. These particles, with mean sizes between 1.5 and 4.5 mm, are cheap and readily obtainable. The manufacturing process produced tiles with a high percentage of ceramic particles (up to 80% by weight) and low porosity. The static compressive behavior of the composite was examined to consider various factors: ceramic fraction, particle size, material of particles and temperature. A higher volumetric fraction of particles produces an increase of stiffness and raises the yield stress of the composite; the influence of size of particles is not determinant. High temperatures produces a decrease of the mechanical properties. The efficiency of this low-cost material is halfway between that of the conventional metallic materials and the monolithic ceramic tiles used in lightweight protection. [ES] En este trabajo se presenta el proceso de fabricación de un material compuesto de matriz polimérica y carga cerámica, su caracterización mecánica estática y su comportamiento frente a impacto. Como matriz se ha empleado una resina viniléster y como carga cerámica se han empleado partículas de alúmina y carburo de silicio. Estas partículas, con un tamaño medio comprendido entre 1.5 mm y 4.5 mm, presentan bajo coste y alta disponibilidad. La compactación uniaxial permitió obtener losetas con un elevado porcentaje de partículas cerámicas (hasta el 80% en peso) y baja porosidad. Se han realizado ensayos de compresión estática sobre el material desarrollado para analizar la influencia de varios factores: fracción volumétrica de partículas, tamaño de partícula, material de las partículas y temperatura. La resistencia a compresión cuasiestática del nuevo material compuesto se incrementa al aumentar la fracción volumétrica de partículas, siendo prácticamente independiente del tamaño de éstas, en el rango granulométrico considerado. El incremento de la temperatura supone una disminución en las propiedades cuasiestáticas. El bajo coste del material desarrollado justifica su aplicación en protecciones que requieran de una eficiencia frente a impacto intermedia entre la correspondiente a placas metálicas y a los paneles cerámica/metal. Los autores desean expresar su agradecimiento a la Comunidad Autónoma de Madrid por la financiación del Proyecto 07N/0004/1998 que ha permitido la realización de este trabajo. Publicado

Este proyecto se centra en el estudio de las respuestas de una celda auxética reentrante frente a esfuerzos de tracción y compresión en función de sus parámetros geométricos. Para ello se dará a conocer como es una estructura auxética, los tipos, la historia y sus características principales. La modelización por elementos finitos ha sido verificada gracias al software informático Abaqus 6.13, facilitado por la Universidad Carlos III de Madrid, mediante el diseño de estructuras tipo shell creadas por extrusión. Esta clase de estructuras, similares a lo que podría ser un panal de abejas convencional, ha recibido mucha atención recientemente y se ha demostrado que presentan algunas características únicas que proporcionan ventajas sobre los materiales de ingeniería convencionales. En este proyecto se tratan posibles aplicaciones en las que estas estructuras podrían ser de utilidad. Algunas de ellas ya están siendo estudiadas en la actualidad. Además, con el fin de hacer el proyecto de la manera más real y profesional posible, dos apartados han sido destinados a temas legales de presupuesto de realización de este TFG y a las normativas asociadas al objeto de estudio. Ingeniería Mecánica

Actualmente, la industria aeronáutica busca la optimización de sus componentes estructurales, y una posibilidad de lograrlo es a través del empleo de materiales compuestos. Grandes compañías aeronáuticas utilizan cada vez en mayor proporción estos materiales en sus aeronaves e incluso, en un futuro, emplearán motores de rótor abierto con palas contrarrotatorias fabricadas con material compuesto. Estos motores reducen considerablemente el consumo, pero obligan a garantizar la protección del fuselaje del avión ante un posible impacto de un fragmento de material compuesto desprendido de las palas, por lo que es necesario estudiar el comportamiento de los materiales compuestos empleados impactando contra estructuras de similares características, como por ejemplo el fuselaje de un avión con un importante contenido de material compuesto en peso. Al emplear materiales compuestos, debido su baja resistencia a impactos fuera de su plano, uno de los principales análisis que se realizan durante el diseño de una estructura aeronáutica de material compuesto es el estudio de su comportamiento frente a impactos. Sin embargo, no existen estudios previos en los que el material compuesto sea el proyectil y no el objetivo. En esta tesis doctoral se ha analizado el impacto de fragmentos (rectangulares y con dos espesores y laminados diferentes) de material compuesto laminado contra una placa rígida, empleando tanto una metodología experimental como numérica. En ambos casos se ha analizado el proceso de impacto y los siguientes parámetros de importancia: la erosión producida en los fragmentos, la velocidad de los fragmentos durante el impacto, la fuerza producida por el impacto del fragmento y el impulso transmitido. Para realizar los impactos experimentales, se ha empleado un dispositivo neumático de impulsión que acelera los fragmentos contra la placa rígida; el proceso de impacto se ha grabado mediante tres cámaras de alta velocidad, permitiendo de esta forma comprobar que el impacto se produce de manera correcta, y el posterior análisis del mismo. Con los vídeos generados, se han obtenido los desplazamientos de los fragmentos para posteriormente obtener la fuerza de impacto producida. Los ensayos experimentales han permitido comprender los principales mecanismos de fallo que aparecen en los fragmentos y en todos ellos, se ha observado el fallo por compresión de la matriz y de las fibras, y además delaminación en las láminas más exteriores de los fragmentos. Los dos primeros mecanismos de fallo presentan mayor intensidad conforme aumenta la velocidad de impacto mientras que en las delaminaciones la tendencia es al contrario. Además de la metodología experimental, en esta tesis también se ha desarrollado una metodología numérica para reproducir el impacto de los fragmentos de material compuesto laminado. Dicha metodología ha sido validada mediante los ensayos experimentales. Las simulaciones numéricas se llevaron a cabo utilizando el software comercial de elementos finitos Abaqus Explicit v6.14. Para reproducir el comportamiento del material compuesto laminado de los fragmentos se ha desarrollado un modelo de daño continuo tridimensional para reproducir lo más fielmente posible el fallo intralaminar real, dicho modelo se ha implementado mediante una subrutina de usuario. El fallo interlaminar se ha tenido en cuenta en el modelo empleando una interacción cohesiva entre cada lámina de material. Atendiendo a la validación de la metodología numérica realizada, se ha comprobado que el modelo numérico desarrollado muestra una adecuada correlación con respecto a los parámetros observados en los ensayos experimentales. Respecto al modelo del material compuesto desarrollado en esta tesis, predice adecuadamente los fallos y el proceso de impacto de los ensayos experimentales. Nowadays, the aeronautic industry seeks to optimize structural components due to the high requirements demanded to the air-crafts and the use of composite materials in aeronautic structures is a possibility to achieve it. Large aeronautical companies are increasing the use of these materials on their air-crafts and they will use in the future open rotor engines which have blades made of composite materials. These future engines are highly efficient but the use of them force to guarantee the protection of the fuselage of the air-planes before a possible impact of a composite material piece detached from the blades, hence it is necessary to study the behaviour of composite materials impacting against structures made of similar materials such as the fuselage of an air-plane When composites materials are used, due to their poor resistance to out of plane impacts, one of the main analysis that is carried out during the design of an aeronautic structure is the study of the behaviour of these materials against high velocity impacts. However, there are not previous studies in which the composite materials are the projectile and not the target of the impacts. In the present Ph.D. thesis it has been analysed the impact of composite material fragments (rectangular and with two different thickness and ply sequences) against a rigid sheet using both an experimental and numerical methodology. In both cases, it has been analysed the impact process and the following relevant parameters: the fragment erosion, the fragment velocity, the impact force and the transmitted impulse. To carry out the experimental tests it has been used a pneumatic launcher to impel the fragments against the rigid sheet; the impact process has been recorded with three high speed cameras which have allowed to verify that the impact occurred correctly and to analyse it. The fragments displacement has been obtained with the videos recorded in order to get the impact forces. The experimental tests have allowed to understand the main failure mechanisms that appear in the fragments and in all of them, it has been observed compression failure of the matrix and fibres as well as delamination in the outermost plies of the fragment laminate. The first two failure mechanisms present higher intensity as the speed of impact increases while the tendency in delamination is the opposite. In addition to the experimental methodology, it has also been developed a numerical methodology to reproduce the impact of composite material fragments. This methodology has been validated using the experimental tests. The numerical simulations have been carried out in the finite element commercial code Abaqus Explicit v6.14. To reproduce as closely as possible the real intra-laminar behaviour of the composite material it has been developed a three-dimensional continuum damage model. The inter-laminar failure has been taken into account by the use of one cohesive interaction between each ply of the fragment laminate. Considering the validation carried out, it has been shown that the numerical impact process and the numerical results have a correct agreement with the experimental ones. In relation to the continuum damage model developed, it reproduces correctly the failure mechanisms that appear in the composite fragments. Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial Presidente: Ramón Eulalio Zaera Polo.- Secretario: Claudio Saúl Faria Lopes.- Vocal: Albert Turón Travesa

Mención Internacional en el título de doctor, El taladrado es un proceso fundamental previo al ensamblaje de componentes estructurales de material compuesto en diversas industrias como la aeroespacial. Los defectos inducidos durante el proceso de arranque de material pueden llevar al rechazo del componente con el consiguiente coste económico. Debido a la falta de homogeneidad y anisotropía de los laminados FRP (Fiber Reinforced Polymers), el proceso de perforación suele llevar asociados fenómenos de daño en el material (como la delaminación, el astillamiento del borde, la formación de grietas o el daño térmico) y el desgaste excesivo de la herramienta debido a la abrasividad de las fibras. Entre los daños mencionados, la delaminación ha sido identificada como el fenómeno más perjudicial, ya que conlleva una pérdida significativa de la resistencia y de la rigidez del laminado y, por consiguiente, afecta a su capacidad de carga. La identificación y prevención de este fenómeno es, por lo tanto, particularmente importante para los componentes de material compuesto sometidos a cargas de compresión, cizalladura, cargas cíclicas o condiciones ambientales adversas durante períodos prolongados de tiempo. El daño en el material también depende de la geometría de la herramienta, del estado de desgaste de la broca y de los parámetros de corte. Por otro lado, es difícil encontrar en la bibliografía modelos numéricos 3D de taladrado que simulen el arranque de viruta incluyendo los movimientos de corte y avance de la broca. Sin embargo, el desarrollo de estos modelos puede ser un método efectivo para realizar estudios de optimización de la geometría de la herramienta y de los parámetros de corte, con el objetivo de mejorar la calidad de los agujeros y reducir el desgaste de la broca. Al mismo tiempo se consigue una reducción de recursos y tiempo en ensayos experimentales. Con el objetivo general de generar nuevo conocimiento sobre el campo del taladrado en materiales compuestos de fibra de carbono, se presenta esta tesis, con dos partes bien definidas. La primera parte, centrada en la experimentación, analiza la influencia de la geometría de la broca y del nivel de desgaste, considerando también la influencia de las variables de entrada (velocidad de avance, velocidad de corte y ángulo de punta) en las fuerzas de corte y el daño por delaminación. Estos ensayos también se utilizaron para la validación de los modelos numéricos desarrollados en la segunda parte, que consiste en la implementación de modelos numéricos 3D de taladrado, basados en el método de los elementos finitos. Estos modelos validados son capaces de predecir el daño y la fuerza de avance para unos determinados parámetros de corte (velocidad de avance y velocidad de corte). Como complemento a ambos estudios, se han utilizado herramientas estadísticas para desarrollar modelos mecanísticos y ecuaciones predictivas útiles para evaluar las tendencias en el daño y apoyar a los modelos numéricos. Los conocimientos derivados de la presente tesis pueden servir de ayuda en la definición del fin de vida de la herramienta y constituyen una herramienta aplicable al diseño de nuevas geometrías de broca para este tipo de operaciones., Drilling of composite materials, is an essential pre-assembly process, for structural components in the aircraft industry. Induced damage, during the material removal processes, can result in the rejection of components and an increase in production cost. Due to the inherent inhomogeneity and anisotropy of Fiber Reinforced Polymers (FRP) laminates, and to the abrasive properties of the fibers, the drilling process is currently rife with damage phenomenon such as: spalling, delamination, chipping, fiber pull-out, crack formation, or thermal damage. Delamination has been identified as the most detrimental damage phenomenon for structural components as it results in a significant loss of strength and stiffness of the laminate, and consequently its load carrying capacity. Therefore, identification and prevention of this phenomenon becomes particularly important for composite components subject to adverse environmental conditions and compressive, shear, and cyclic loads over extended periods of time. Drilling induced damage depends also on several factors such as, drill bit geometry, cutting parameters, and tool wear. Furthermore, it is difficult to find literature on 3D models of drilling which are suitable for simulating chip removal, including both feed and rotation movements of the drill bit. Developing and using these tools leads to optimization studies about tool geometry and cutting parameters, which ultimately, reduces the number of tests and experimental time required. This thesis has been carried out with the main goal of generating new knowledge in the field of carbon fiber composite drilling and has two main parts. The first part, experimental, analyzes the influence of the drill bit geometry and the wear level considering also the input variables (feed rate, cutting speed, and point angle of the drill bit) in the cutting forces and in delamination damage. The second part, numerical, develops the 3D numerical models of drilling using finite element methodology. Using these models, predictions can be made in regards to the amount of damage caused by different feed forces and different cutting parameters (feed rate and cutting speed). Statistical tools have been used to support this study and to develop predictive and mechanistic models to estimate the damage incurred during the drilling process, evaluate trends, and support the numerical models. The knowledge derived from this thesis can be used to define the cutting life of a tool and will also be very useful in the design of new tool geometries to increase the efficiencies of composite material drilling., Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial, Presidente: Eugenio Giner Maravilla.- Secretario: José Antonio Loya Lorenzo.- Vocal: Antonino Morassi

Este análisis tensional se centrará en las características sonoras de una caja, con el propósito de entender las diferentes variables que intervienen en el uso de este instrumento musical. Primeramente necesitamos entender el suceso, cuántas variables intervienen y cómo intervienen en relación a la caja. Tenemos una baqueta golpeando el parche y dependiendo del material, geometría y la interacción entre la baqueta y la caja, el sonido producido será más o menos alto, definido, grave o agudo. Usaremos un programa de ingeniería llamado Abaqus para simular el parche y el golpeo. Abaqus está basado en el Método de Elementos Finitos, usado en la industria aeroespacial y de automoción entre otras. Usaremos dos métodos diferentes para obtener información del mismo golpeo y así entender de forma completa lo que está sucediendo. Del primer método, vamos a mostrar los modos de vibración del parche, las diferentes frecuencias con las que puede sonar la caja y cómo es la tensión que se produce en cada modo de frecuencia. Del segundo método vamos a reportar un diagrama espacio-temporal de un punto céntrico del parche. Seguidamente usaremos el programa Matlab para realizar la operación matemática llamada Transformada Rápida de Fourier (FFT) que convierte una señal espacio-temporal en una amplitud-frecuecnia, llamado espectro de sonido. Este espectro de sonido nos dará la información del sonido de la caja. Después de esto, contrastaremos los resultados obtenidos por los dos métodos para así tener una idea clara de lo que está sucediendo, y con el suceso simulado, cambiaremos los valores de las variables empleadas en el análisis para entender el efecto exacto de estas variables sobre el suceso simulado. Además, vamos a simular dos elementos usadso por los percusionistas para producir un sonido más definido. Este estudio pretende ser útil para los músicos, porque otorga ideas claras de la manera en que las variables contribuyen al sonido de la batería. Y también es interesante para las compañías fabricantes de baterías, porque podrían usar este análisis como herramienta para probar el sonido de nuevos parches fabricados con diferentes materiales, geometrías o complementos. This stress analysis will focus in the acoustic characteristics of the snare drum, in order to understand the different variables involved in the event of playing this instrument. First of all we need to understand the event itself , how many variables are involved and how they work in relation with the snare drum. We have a stick hitting the snare head, and depending on the materials, geometry and the interaction between the stick and the snare head, the sound will be louder, sharper, bass or treble. We will use an engineering software named Abaqus to simulate the snare head and the hit. Abaqus is based on the Finite Element Method, used in the aerospace and automation industry among others. We are going to use two different methods to obtain different information of the same event in order to understand the event completely. From the first method, we are going to report the vibration modes of the snare head, the different frequencies that the snare drum could produce and how is the stress of the snare head in each frequency mode. From the second method we are going to report a space-time diagram of a centric point of the snare head. After that, we will use the software Matlab to make the mathematical operation called Fast Fourier Transform (FFT) that translates the space-time diagram into an amplitude-frequency diagram, called sound spectrum. This sound spectrum will give us all the information of the sound of the snare drum. After this, we will contrast both methods in order to have a clear idea of the event, and once the simulators are ready, we are going to change the value of the used variables to understand what is the exact effect of these variables in the simulated event. Apart from that, we are going to simulate two different elements used by the musicians to produce a more defined sound. This research is useful for musicians, as it gives clear ideas of the way the variables contribute to the sound of the whole drum set. It is also interesting for the big drum manufacturing companies, because they might use this method as an instrument to test the sound of new snare heads made with different materials, geometry or complements. Ingeniería Mecánica

Actualmente, en la industria aeronáutica, uno de los principales análisis que se realizan durante la fase de diseño de una estructura de material compuesto es el estudio de la vulnerabilidad frente a impactos a alta velocidad. Particularmente, en el diseño de los tanques de combustible del ala de un avión se deben tener en cuenta los efectos del golpe hidrodinámico; este problema ha sido identificado como uno de los factores más importantes en la vulnerabilidad de una aeronave. El golpe hidrodinámico ocurre cuando un objeto altamente energético penetra a alta velocidad en una estructura con fluido en su interior transfiriendo parte de su energía cinética a través del fluido a la estructura. En la presente tesis doctoral se ha analizado el comportamiento de un tanque de material compuesto con fluido en su interior sometido a impactos de alta velocidad. Para ello se ha usado tanto una metodología experimental como numérica. En ambos casos se ha analizado la influencia de dos parámetros: la velocidad de impacto del proyectil y el porcentaje de llenado del tanque de material compuesto. Para la realización de los ensayos experimentales se ha usado un dispositivo neumático que acelera el proyectil a gran velocidad contra el tanque de combustible; el proceso de impacto se ha grabado mediante una cámara de alta velocidad, registrándose también tanto las deformaciones del tubo de material compuesto como las presiones en el interior del fluido. Los ensayos experimentales han servido para comprender los principales mecanismos que gobiernan el comportamiento del tanque de combustible frente al golpe hidrodinámico. Se ha observado que los mecanismos de fallo que aparecen en la estructura varían sensiblemente en función de los parámetros estudiados; es de destacar la importancia del porcentaje de llenado, parámetro que no había sido estudiado en profundidad para este tipo de tanques de combustible. En esta tesis, además, se ha desarrollado una metodología numérica para modelizar el fenómeno del golpe hidrodinámico. Esta metodología ha sido validada mediante los ensayos experimentales antes mencionados. Las simulaciones numéricas han sido realizadas empleando el código comercial de elementos nitos LS-DYNA v. R7. Para modelizar la interacción fluido estructura se han usado dos técnicas diferentes: la técnica Multimaterial Lagrangiana Euleriana Arbitraria (MM-ALE en sus siglas en inglés) y la técnica Smooth Particle Hydrodynamics (SPH). Para reproducir el comportamiento del material compuesto del que está hecho el tanque de combustible se ha usado un modelo que tiene en cuenta tanto el fallo intralaminar, implementado mediante una subrutina de usuario, como el fallo interlaminar, modelizado usando una interacción cohesiva. Atendiendo a la validación realizada, se ha comprobado que los modelos numéricos desarrollados muestran una adecuada correlación con respecto a la respuesta del tubo de material compuesto sometido al golpe hidrodinámico observada en los ensayos experimentales. Tanto el modelo que usa la técnica MM-ALE como el que emplea la técnica SPH son capaces de reproducir la transferencia de energía entre proyectil, fluido y estructura. En cuanto al modelo de material compuesto implementado, éste predice adecuadamente los fallos que se generan en el tanque para los distintos casos analizados., Nowadays, in the aeronautical industry, vulnerability against high-velocity impact loads has become one of the principal analyses performed for the design of composite structures. Particularly, in a wing fuel tank design, Hydrodymamic Ram (HRAM) effects have to be taken into account, because it has been identified as one of the important factors in aircraft vulnerability. Hydrodynamic Ram (HRAM) occurs when a high-energy object penetrates a fluid-filled container, transferring its momentum and kinetic energy through the fluid to the surrounding structure. In the present PhD Thesis it has been analyzed the behavior of a fluid filled composite fuel tank subjected to a high velocity impact. For this purpose, it has been used both an experimental and a numerical methodology. In both cases, it has been analyzed the influence of two parameters: projectile impact velocity and fluid filling level. In order to perform the experimental tests, it has been used a pneumatic launcher that accelerates the projectile to high velocity impacting against the composite fuel tank; the impact process has been recorded using a high-speed camera, registering also the strains in the composite fuel tank and the pressures inside the fluid. Experimental tests have been used to understand the principal mechanisms that govern the composite fuel tank response subjected to HRAM. It has been observed that the main failure mechanisms that appears in the structure vary noticeably as a function of the parameters analyzed, in particular the influence of fluid filled level; parameter that it has not been studied in depth previously for this type of fuel tank. In this PhD thesis, it has been also developed a numerical methodology for modelling the HRAM phenomenon. This methodology has been validated using the experimental tests. Numerical simulations have been carried out in the finite element commercial code LS-DYNA v.R7. Two numerical techniques have been used to model the fluid structure interaction, Multimaterial Arbitrary Lagrangian Eulerian (MM-ALE) and Smooth Particle Hydrodynamics (SPH). A material model accounting intralaminar failure, by means of a user subroutine, and the interlaminar failure, using a cohesive interaction has been employed to reproduce the composite material behavior. Considering the validation performed, it has been shown that the numerical models developed have a correct agreement with the experimental composite fuel tank response subjected to HRAM. Therefore, it can be said that both the numerical model that use MM-ALE technique and the model that employ SPH technique, are able to reproduce the energy transfer between projectile, fluid and structure. In addition, composite material model implemented predicts the failures appeared in composite fuel tank for the different studied parameters., Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial, Presidente: Ramón Eulalio Zaera Polo.- Secretario: Ignacio Romero Olleros.- Vocal: David Ángel Cendón Franco

Los blindajes bi-capa, o blindajes de dos materiales, han sido objeto de atención desde hace varias décadas por sus altos niveles de protección balística, así como por su reducido peso. Consisten en una placa exterior de alta dureza y una capa posterior con un comportamiento dúctil, con el objetivo de que la primera debilite y decelere el proyectil y la segunda mantenga en su sitio los restos fracturados de la placa delantera y absorba la energía residual del proyectil. El conocimiento de estos sistemas de protección es de mucho interés en el ámbito militar, en el aeronáutico, y otros campos, dado el desarrollo reciente de materiales que pueden ser de relevancia para diseñar nuevos blindajes ligeros con prestaciones mejoradas según las características que ofrezca cada uno. Para llegar a buen fin en el desarrollo del trabajo, es importante que el diseñador de blindajes posea un gran nivel de conocimiento del comportamiento mecánico de los materiales con los que se va a trabajar, fundamentalmente los criterios de fallo o rotura. En este Trabajo Fin de Grado se estudia el comportamiento de elementos de protección ligeros de doble capa, compuestos por una placa cerámica frontal respaldada por otra metálica, frente a altas solicitaciones dinámicas. Para ello, se ha utilizado el Método de Elementos Finitos (FEM) para generar un modelo de simulación numérica con el código comercial explícito Abaqus, que ha permitido validar los resultados experimentales propuestos por Sánchez Gálvez y Sánchez Paradela (2009). Además, se han comparado los resultados obtenidos con los expuestos en el modelo numérico propuesto de R. Chi et al. (2012), que se utiliza para relacionar y analizar las velocidades residuales y la velocidad de límite balístico con los espesores de placa empleados. Además se ha intentado validar una serie de curvas analíticas para el cálculo de la velocidad de límite balístico (BLV) propuestas por los mismos. Finalmente, se ha estudiado el comportamiento de los blindajes cerámico/metálicos para diferentes solicitaciones y condiciones de contorno. Bi-layer shields have received attention for several decades due to their high ballistic protection levels, as well as its reduced weight. These shields have an outer plate of high hardness and a rear layer with a ductile behaviour. The first layer weakens and decelerates the projectile whereas the second layer keeps in place the fractured remains of the front plate and absorbs the residual energy of the projectile. The knowledge of these protection systems has interest in the military sector, in aeronautics and other fields, as there are recent materials that may be of relevance for new light shielding with improved performance arising from the features that gives each layer. For a good development of the shield, the designer should have a high level of knowledge of the mechanical behaviour of these materials, mainly the failure or breakage criteria. In this work, we analyse the behaviour of light bi-layer shields as protective elements, with a ceramic front plate backed by another metallic layer, under high dynamic loads. We use the Finite Elements Method (FEM) in order to generate a model of numerical simulation with the commercial code Abaqus/Explicit. We have validated the experimental results by Sánchez Gálvez and Sanchez Paradela (2009). We have also compared our results with those obtained by the numerical model proposed by R. Chi et al. (2012), used to relate and analyze the residual speeds and the ballistic limit speed with the thickness of the bi-layer plates. Moreover, we have attempted to validate their proposed analytical curves for the calculation of the ballistic limit velocity (BLV). Finally, we have studied the behaviour of the ceramic/metal shields for different loads and boundary conditions. Ingeniería Mecánica

El objetivo de este proyecto de fin de grado, consiste en el pre-diseño de un lanzador neumático de alta energía que funciona con aire elevado a una presión de 5’8 bares, para realizar ensayos de impactos con masas estimadas de entre 10 y 15 kilos, produciéndose una energía cinética elevada, para conseguir velocidades de hasta 200 metros por segundo. El lanzador neumático de alta energía, estará formado por un depósito, en el cual se almacenará el gas necesario para impulsar el proyectil, y un cañón de gran longitud, para que éste pueda adquirir la velocidad necesaria. Además, se diseñaran las bancadas del depósito, que dotarán a la estructura de estabilidad. Para empezar con el pre-diseño, se partirán de modelos de lanzadores neumáticos similares, tanto de aire atmosférico, como otro tipo de gases, como Helio y Neón. De esta manera se verá el impacto en los lanzadores en función del gas, y el fenómeno físico que provoca que el proyectil se mueva. Con una idea previa y todos los fundamentos físicos necesarios sobre el proceso, se estimaran unas dimensiones iniciales para el lanzador, que irán acorde con las condiciones iniciales. Realizado un estudio previo de las masas y las velocidades con estas dimensiones, podremos saber la magnitud del problema, y la importancia de cada uno de los factores. Acto seguido, se calcularán de manera exhaustiva todos los rozamientos producidos en el proceso y la importancia de cada uno de estos, para así poder recalcular la velocidad final de los proyectiles, usando un coeficiente de seguridad que nos permita evitar cualquier contratiempo. Sin embargo, existirán dimensiones que no podremos saber con este cálculo, como los espesores de las tapas del depósito y las bancadas, ya que estas dependerán de las tensiones producidas en el lanzador. Para realizar este cálculo, haremos uso del método de elementos finitos mediante la herramienta Abaqus, para optimizar la estructura todo lo posible, y que resulte lo más rentable posible. Una vez optimizada la estructura, solo faltará mostrar las dimensiones finales del lanzador, y valorar la posibilidad de trabajos futuros sobre este proyecto. The purpose of this degree final project consists of the pre-design of a high-energy pneumatic launcher that works with high pressure air at 5'8 bars for testing impacts with estimated masses between 10 and 15 kilos, producing a high kinetic energy, to get speeds up to 200 meters per second. The high-energy pneumatic launcher, will consist of a tank, in which the required gas to propel the projectile will be stored, and an overlong cannon, in order to acquire the necessary speed. Additionally, tank supports will be designed, providing stability to the entire structure. Firstly the pre-design will be made from similar pneumatic launcher models, both atmospheric air and other gases such as helium and neon. Thus the impact from launchers depending on the gas, and the physical phenomenon causing the projectile to move may be checked. With a previous idea and all the physical bases necessary for the process, initial dimensions for the launcher will be estimated, according to the initial conditions. Once we have made a preliminary study of the masses and velocities with these dimensions, we will be able to know the magnitude of the issue and the importance of each factor. Afterwards, all the friction produced in the process will be calculated as well as the importance of each, in order to recalculate the final velocity of projectiles, using a safety factor that allows us to avoid any setback. However, there will be dimensions that we won’t be able to know with this calculation, as the thickness of tank tops and supports, as these depend on the stresses produced in the launcher. For this calculation, we will use the finite element method using the Abaqus software to optimize the structure as much as possible and make it as profitable as possible. When the structure is already optimized, only remains to show the final dimensions of the launcher and evaluate the possibility of future works about this project. Ingeniería Mecánica

El diseño y la optimización de componentes estructurales aeronáuticos constituyen un campo de gran importancia en la ingeniería debido a los elevados requerimientos de seguridad y fiabilidad que se exigen a las aeronaves. Durante su vida útil, estas estructuras están sometidas a diversos tipos de solicitación y, en particular, pueden recibir impactos de fragmentos de diferentes materiales. En la búsqueda de nuevas soluciones estructurales, el uso de los materiales compuestos (laminados en la mayoría de los casos) se está extendiendo en la aeronáutica civil a las estructuras primarias incrementándose el riesgo de impacto en estos materiales. Se ha demostrado la baja resistencia frente a impacto cuando este ocurre en la dirección perpendicular al plano del laminado, y por esta razón es necesario investigar su comportamiento frente a impacto. Esta tesis doctoral se centra en el estudio de los materiales compuestos frente a impacto de hielo. Con este objetivo, se ha realizado un análisis desde el punto de vista experimental y num érico, de laminados unidireccionales de fibras de carbono en matriz epoxi sometidos a impacto de esferas de hielo. Para llevar a cabo el estudio experimental se han realizado ensayos empleando un sistema neumático capaz de impulsar los proyectiles de hielo a la velocidad deseada. En primer lugar se han realizado ensayos impactando los proyectiles de hielo contra una célula de carga para medir la fuerza inducida en el impacto. En segundo lugar, se han impactado los laminados de carbono/epoxi para estudiar el comportamiento de estos frente al impacto. El análisis de los resultados obtenidos de los ensayos experimentales ha permitido estudiar la fuerza ejercida por el impacto de los proyectiles esféricos de hielo, así como la influencia sobre ésta de la velocidad de impacto y de la masa de proyectil. Además, se ha podido analizar el comportamiento de los laminados sometidos a impacto de hielo determinando la influencia de diferentes variables en el daño producido por el impacto: espesor del laminado, energía de impacto y diámetro del proyectil. Para complementar el estudio, se ha evaluado la capacidad predictiva de modelos de elementos finitos en este tipo de problemas de impacto. Para ello se ha propuesto e implementado, en un código comercial, un modelo de comportamiento mecánico para el hielo y se ha empleado un modelo simplificado para los laminados de carbono/epoxi. Los modelos anteriormente citados han sido validados empleando los resultados experimentales., Design and optimization of aeronautic structural components represent fields of great importance in engineering due to the high requirements, both security and reliability, that aircrafts are demanded. During its service life, these structures are subjected to very different kinds of loads and, in particular, they can be impacted by various material's debris. As a result of the searching of new structural solutions, the usage of composites has been spread to primary structures in civil aeronautics. Due to its low resistance against impact when it occurs in the normal direction to the plane of the laminate, it is necessary to investigate its impact behavior. This Ph.D. thesis focuses on the study of composite materials under ice impact. With this purpose, an experimental and numerical analysis of sphere ice impact on unidirectional carbon fibers laminate in epoxy matrix has been made. To accomplish the experimental study, tests were carried out using a pneumatic system capable of propelling the ice projectiles at the desired speed. Firstly tests were made impacting ice projectiles against a load cell to measure the force induced by impact. Secondly, the carbon/epoxy laminates were impacted, in order to study their behavior against ice impact. The analysis of the experimental results of the experimental tests has allowed studying the impact force induced by the spherical ice projectiles, determinig the influence of the impact velocity and mass of the projectile in the force. Furthermore, it has been possible to analyze the behavior of laminates subjected to ice impact determining the influence on the laminates damage of different variables: laminate thickness, impact energy and projectile diameter. As a complement to this study, the predictions of finite element models were evaluated for this type of impact problems. To this end, a constitutive model for the ice has been proposed and implemented in a commercial finite element code, and a simplified model combining material behavior and cohesive interaction has been used for the composite laminates. Aforementioned models has been validated using the experimental results.

El objetivo principal de este proyecto de n de carrera es el estudio, mediante el método de elementos nitos (MEF), del impacto de un solido contra el agua, para su posterior uso en el estudio del ditching. Por lo que los datos que se obtendrán serán comparados con los estudios experimentales existentes, de tal manera que clarifiquen cual es la mejor manera de simular el impacto, variando diferentes parámetros, como son el método de integración y la densidad de nodos, del diseño de la malla del agua. Una vez obtenidos los parámetros que definen el mejor diseño del mallado del agua, se aplicarán a la simulación del impacto de un modelo de avión, simulación que introduce como nueva variable de estudio la velocidad tangencial al agua, con el fin estudiar el comportamiento del mallado resultante del estudio del impacto vertical, ante esta nueva variable, para su aplicación al estudio del ditching. El uso del método de elementos finitos para el estudio del ditching es viable, dado que los resultados que se han obtenido en el estudio del impacto de la cuña contra el agua son verdaderamente fidedignos tanto en deceleración como en presiones. Las condiciones mas influyentes para el correcto diseño de una malla que simule el agua en estas condiciones son: - Los métodos de integración - Las condiciones de contorno que se aplican al mallado de agua - La densidad de nodos en la zona de impacto Es posible obtener resultados correctos utilizando los métodos de integración: Lagrangiano y ALE Ingeniería Industrial