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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

6 pages, 10 figures.-- Contributed to: "XXI Encuentro del Grupo Español de Fractura" (Punta Umbría, Huelva, Spain, Mar 24-26, 2004). [EN] This work presents a three-dimensional Finite Element analysis of Dynamic three point bending fracture tests performed in a modified Split Hopkinson Pressure Bar, including the projectile, the incident bar, the specimen and the supporting device. The influence of different parameters, such as the specimen thickness, crack length and impact velocity of the projectile on the critical stress intensity factor is analyzed. To obtain the instant at which the crack starts to grow, a local fracture criteria is applied, considering that crack begins its propagation when a critical stress at a characteristic distance of the crack tip is reached. Numerical results show that critical stress intensity factor decreases with specimen thickness, projectile impact velocity and initial crack length. [ES] En este trabajo se presenta un análisis numérico tridimensional, por el método de los Elementos Finitos, de los ensayos de flexión dinámica que se pueden realizar en dispositivos experimentales basados en modificaciones de la barra Hopkinson, incluyendo la modelización del proyectil, la barra incidente, la probeta y su sistema de apoyo. Se analiza la influencia de diferentes parámetros como son el espesor de la probeta, la longitud de la fisura con relación al canto de la probeta y la velocidad de impacto en el valor crítico del factor de intensidad de tensiones. Para obtener dicho valor crítico, se ha utilizado un criterio local de fractura que considera que la fisura progresa de manera inestable cuando se alcanza una tensión crítica a una distancia característica del extremo de la fisura. Los resultados numéricos ponen de manifiesto que el citado valor crítico disminuye a medida que aumenta el espesor de la probeta, la velocidad de impacto del proyectil, y el tamaño de la fisura inicial. Publicado

5 pages, 11 figures. [EN] The mechanical behaviour of monolithic and composite ceramic materials was analysed under impact conditions, using the Hopkinson bar to study the response and failure modes. The materials considered were alumina (Al2O3) and silicon carbide platelet / alumina matrix (Al2O3/ SiCpl) composites. Because of the high hardness of ceramics, modifications of the conventional Hopkinson bar device were done to prevent the damage of the bars surface. Stress-strain curves obtained from the tests showed a significant increase in strain values when 30% vol. of SiC platelet are included in the matrix. [ES] El objetivo de este artículo es la caracterización en compresión dinámica, a alta velocidad de deformación, de materiales cerámicos de alumina, tanto monolíticos como compuestos (alúmina/SiC-plaquetas, 8 y 30% en volumen), utilizando el dispositivo denominado barra Hopkinson. Para resolver los problemas originados por la elevada dureza de estos materiales se han ensayado diferentes soluciones, encontrándose como óptima la intercalación entre barra y probeta de discos metálicos desechables del mismo material de la barra. Los datos obtenidos de las medidas permitieron obtener la resistencia mecánica de los materiales ensayados en condiciones dinámicas. La incorporación del 30% en volumen de SiC aumenta la deformación obtenida de la matriz. Publicado

El uso de paneles rigidizados de materiales compuestos ha tenido un rápido crecimiento durante las últimas décadas, siendo en las industrias aeronáutica y aeroespacial donde mayor desarrollo y aplicación han tenido. El empleo de materiales compuestos para su fabricación permite adaptar las propiedades del elemento estructural a los requisitos deseados de rigidez y resistencia. Sin embargo, a cambio de estas cualidades, los paneles rigidizados de materiales compuestos presentan una mayor complicación en su análisis. En la actualidad, para llevar a cabo el diseño y análisis de paneles rigidizados es necesario utilizar el método de elementos finitos, siendo necesario desarrollar sofisticados modelos e invertir gran cantidad de tiempo en la resolución y esfuerzo en la interpretación de resultados. Por ello, sería deseable contar con un método rápido que ayudara a conseguir un diseño óptimo. El objetivo de este proyecto es crear una herramienta de software que simplifique la tarea de diseño preliminar de paneles rigidizados de materiales compuestos. Con esta herramienta, se consiguen automatizar e integrar algunas de las tareas que se llevan a cabo en la fase de diseño, en concreto la definición de la estructura del panel, la generación de la malla y el análisis de elementos finitos. Asimismo, la herramienta permite visualizar la carga crítica de pandeo y la deformada de la estructura. Tras construir la herramienta de software SPD “Stiffened Panel Design”, ésta se ha empleado para resolver diversos casos de paneles rigidizados reales. Así, la herramienta queda verificada y la validez de sus resultados, garantizada. Use of composite stiffened panels has greatly increased during the last decades, being in the aviation and aerospace industries where further development and application they have. The use of composites in manufacture of these panels allows adapting its properties to the desired requirements of stiffness and strength. Nevertheless, in exchange for these qualities, composite stiffened panels present a more complicated analysis. At present, to carry out the design and analysis of stiffened panels is necessary to use the finite element method, being necessary to develop sophisticated models and invest large amount of time in resolutions, and efforts in interpreting results. It would therefore be desirable to have a rapid method which helps to achieve an optimal design of panels. The aim of this project is to create a software tool that simplifies the task of preliminary design of composite stiffened panels. With this tool, automation of certain tasks that are performed in the design phase is achieved, specifically definition of panel structure, the mesh generation and the finite element analysis. Also, the tool allows visualizing the critical buckling load and the deformed shape of the structure. Having built the software tool SPD "Stiffened Panel Design", it has been used to solve different real cases of stiffened panels. Thus, the tool is verified and the validity of its results is ensured. Ingeniería Industrial

The research of matrix cracking in a composite material laminate is of paramount importance nowadays. Although it is not a catastrophic damage mode, intralaminar cracking causes the appearance of other more critical damage modes that may lead to the failure of the material. In this project, detection of transversal matrix cracking has been developed in a composite material laminate throughout an Acoustic Emssions system (AE). Intralaminar cracks appear as longitudinal strain increases. In order to calibrate and validate this detection system, radiographies from tested specimens have been performed. The number of cracks is counted on the radiographies of each specimen and this number is contrasted with the results recorded by the AE system. The fabrication of the composite material laminates has been performed. The composite material employed is a unidirectional carbon/epoxy prepreg. The curing cycle was executed into an oven by means of vacuum bag processing. Subsequently, the plates obtained were prepared for tensile testing with a Universal Testing Machine. The results support the existence of a correlation between the acoustic emissions detected by the AE system and the formation of intralaminar cracks shown through the radiographies. ___________________________________________________________________________________________________________________ El estudio de la aparición de fisuras en la matriz de un material compuesto es de gran relevancia hoy en día. Este tipo de daño, aunque no catastrófico, provoca la aparición de otros tipos de daño más severos que pueden llevar a la rotura del material. En este proyecto, se ha llevado a cabo la detección de la formación de fisuras transversales en un material compuesto laminado haciendo uso de un sistema de Emisiones Acústicas (AE). Este sistema no había sido utilizado anteriormente. La calibración y validación de dicho sistema han sido realizadas mediante el uso de radiografías. A través de éstas se han contabilizado las fisuras aparecidas en cada una de las muestras ensayadas, las cuales han sido comparadas con los resultados obtenidos por el sistema AE. Para la realización de estos ensayos, ha sido necesario fabricar laminados de material compuesto. El material empleado ha sido un prepreg unidireccional de fibra de carbono en matriz epoxi. Se ha realizado su curado en un horno mediante la técnica de bolsa de vacío. Posteriormente, las planchas obtenidas han sido preparadas para la realización de las pruebas en una máquina universal de ensayos. Las fisuras intralaminares se generan a medida que aumenta la deformación longitudinal. Los resultados obtenidos demuestran que existe una correlación entre las emisiones acústicas detectadas por el sistema AE y la formación de fisuras intralaminares observadas en las radiografías. Ingeniería Industrial

Composite Materials are subject to a wide variety of damage modes. The most common damage modes are intralaminar cracking, delamination or interlaminar cracking, debonding fiber-matrix, and finally fiber breakage. All damage modes cause mechanical properties reduction. This is the case of intralaminar cracks, which are studied in this work. First, this research sets the matrix cracking problem of a composite laminate in terms of Fracture Mechanics throughout the introduction of the in-situ strength theory. Then, a damage model (Discrete Damage Model, DDM) characterized by being formulated exclusively in terms of crack density and fracture toughness is presented. This model is compared to experimental results in order to obtain the material properties that govern the matrix cracking response. These properties are fracture toughness in modes I and II. ____________________________________________________________________________________________________________________- Los materiales compuestos están sujetos a una amplia variedad de formas de daño posibles entre las que se encuentran la formación de fisuras intralaminares, la deslaminación o fisuración interlaminar, el deslizamiento fibra-matriz, y finalmente la rotura de las fibras. Todas las formas de daño conforman un escenario en el que las propiedades mecánicas del material se ven degradadas. Este es el caso de la fisuración intralaminar, que es la estudiada en este trabajo. En este proyecto se plantea, en primer lugar, el problema de la fisuración de la matriz de un material compuesto laminado en términos de la Mecánica de Fractura mediante la introducción a la teoría de resistencia In-situ. En segundo lugar, se presenta un modelo de daño (Discrete Damage Mechanics, DDM) caracterizado por estar formulado exclusivamente en función de la densidad de fisuras de la lámina y la tenacidad de fractura del material. Aplicando este modelo en base a los resultados obtenidos experimentalmente, se ajustan las propiedades del material que gobiernan la respuesta del mismo ante la formación de fisuras, es decir, la tenacidad de fractura intralaminar en modos I y II. Ingeniería Industrial

En esta tesis doctoral se ha desarrollado un nuevo material compuesto de matriz polimérica con carga de partículas cerámicas, incluyendo su proceso de fabricación, y se ha realizado un estudio experimental, numérico y analítico de su comportamiento frente a impacto de proyectiles de bajo calibre en el rango de velocidades medio-alto (de 400 mis a 1000 mis). El proceso de fabricación del material, que consta de una fase de mezclado seguida de una fase de compactación uniaxial, permite obtener losetas del material compuesto con porcentajes en peso de la carga cerámica de hasta el 80% y porosidad inferior al 2%. Las partículas cerámicas empleadas han sido ~03 y CSi, que en estado granular (0-8 mm), presentan bajo coste y gran disponibilidad. Como matriz polimérica se ha utilizado resina viniléster, la cual presenta óptimas propiedades de trabajabilidad y comportamiento mecánico. Las pruebas de fuego real realizadas en galería de tiro y en una instalación experimental de cañón de gas sobre blindajes fabricados con el material desarrollado muestran que éste presenta una eficiencia balística intermedia entre la correspondiente a los materiales metálicos convencionales y la cerámica monolítica empleada en protecciones llgeras, con un coste menor. Se ha desarrollado, y posteriormente implementado en un código de diferencias finitas, un modelo de comportamiento mecánico del nuevo material, que ha sido validado con resultados experimentales. Un modelo analítico propuesto para el proceso de penetración de proyectiles en protecciones formadas por losetas del material compuesto adheridas sobre una placa metálica, permite obtener la deflexión en la placa de respaldo y las velocidades residuales de los proyectiles impactantes. El modelo analítico ha sido validado con los resultados de la simulación numérica., A new material composed of polymeric matrix loaded with ceranúc particles has been developed. This new composite material has been designed and manufactured and an empirical, numerical and analytical study of the ballistic behavior for low and medh.lm caliber projectiles has been carried out. The manufacturtng process, which is of two phases: mixing and uniaxial compactation, allows to obtain composite tiles with ceranúc weight percentages of 80% and low porosity «2%). Low cost ceranúc particles of ~03 and CSi (0-8 mm) were used. The polymeric matrix is a thermosetting vinylester resin that is appropriate for manufacturing proccess and presents suitable mechanical properties. Full-scale fue tests were carried out on the compositejmetal armour. The efficiency of the developed material is halfway between that of the traditional metallic materials and that of monolithic ceranúc materials. The mechanical behaviour of the new composite material has been numerically modelled. This behaviour was implemented in a finite differences commercial codeo Numerical results agree with experimental data. An analytical modelling of the process of penetration of projectiles on composite/metal armour has been developed. This model may be used to predict armour deflections and projectile residual velocities. This model has been validated with numerical simulation results.

En esta Tesis Doctoral se ha estudiado el comportamiento frente impacto de alta velocidad de elementos estructurales fabricados con materiales compuestos que trabajan con precarga en su plano. Para la realización de este estudio se consideraron tres laminados de materiales compuestos: un laminado cuasi-isótropo de fibra de vidrio "E" en matriz viniliester, un laminado cuasi-isótropo de fibra de carbono en matriz epoxi (AS4/8552) y un laminado de tejido de fibra de vidrio "E" en matriz poliéster. Para determinar el comportamiento frente a impacto de alta velocidad de estos laminados se evaluaron experimentalmente: la velocidad residual del proyectil, el límite balístico y la extensión del área dañada. A partir de estos ensayos se estableció una metodología para la realización de ensayos de impacto sobre laminados precargados, que incluye un estudio para el diseño óptimo de la geometría de probeta a utilizarse en los ensayos de impacto sobre laminados precargados. Mediante la modificación de modelos analíticos existentes en la literatura en abierto se desarrolló un modelo ingenieril basado en criterios energéticos que considera la presencia de una precarga en el plano y que permite estimar la velocidad residual, el límite balístico, el tiempo de contacto entre el proyectil y el laminado, la fuerza de contacto máxima y las contribuciones de los diferentes mecanismos de absorción de energía que actúan en el fenómeno de impacto. Este modelo de validado con los resultados experimentales, y ha permitido analizar la influencia de la precarga en el comportamiento frente a impacto al evaluar la velocidad residual, el límite balísitco y el tiempo de contacto. ------------------------------------------------- In this PH.D. thesis the behavior of structural elements with preload in the plane has been studied under the impact of high velocity. For the realization of this study three laminate of composite materials were considered; specifically: a quasi-isotropic laminate of glass fibre "E" reinforced with vinylester resin, a quasi-isotropic laminate of carbon fibre (AS4/8552) reinforced with epoxi and a woven laminate of glass fibre "E" reinforced with polyester resin. To determine the behavior under impact of high velocity of these laminates preload were evaluated experimentally: the residual velocity, the ballistic limit and the extension of damage area. With the development of these tests a methodology was established fot the realization of high velocity impacts in preloading laminate, that it includes a study for the design of the specimen geometry for the impact test in laminates in preloading. By means of the modification of existent analytic models found in the literature, in this PH.D. thesis a simplified model was developed, which is based in approaches energy. This model considers the presence of a preload in the plane and allowed to estimate: the residual velocity, the contact time between the projectile and the laminate, the maximum force of contact and the contributions of the different energy mechanisms that play role in the impact phenomenon. This model was contrasted with the experimental results, evaluating: the residual speed, the ballistic limit and the projectile-laminate contact time.

En esta tesis doctoral se ha estudiado el comportamiento mecánico a flexión y la tolerancia al daño de diferentes configuraciones de laminados de fibra de carbono y matriz epoxi, que son ampliamente empleados en componentes estructurales en las industrias aeronáutica y aerospacial. Se ha llevado a cabo un estudio experimental del comportamiento a flexión, mediante ensayos de flexión en tres puntos. Para analizar la influencia de la velocidad de deformación, estos ensayos se han realizado en condiciones estáticas y dinámicas. Como habitualmente las estructuras aerospaciales están sometidas, durante su vida en servicio, a bajas temperaturas, también se ha analizado la influencia de este último parámetro en la respuesta mecánica de estos laminados. La respuesta registrada en los ensayos de flexión dinámica presentó un ruido que enmascaraba las propiedades de los laminados en estudio. Se ha modelizado analítica y numéricamente este ensayo para identificar el origen del ruido. Se han estimado las frecuencias propias de oscilación del percutor y de la probeta, observándose que existe coincidencia con las presentes en el ruido de la señal, lo que ha permitido realizar un filtrado adecuado que no enmascara la información fundamental del ensayo. También, mediante estas modelizaciones, ha sido posible determinar la velocidad de aplicación de la carga a partir de la cual no es posible emplear las ecuaciones que no tienen en cuenta las fuerzas inerciales para calcular a través de ellas los valores de las propiedades dinámicas concretas. Se ha estudiado la tolerancia al daño de componentes estructurales fabricados con los laminados de fibra de carbono tras resultar dañados por impactos a baja velocidad y temperatura ambiente. Se han realizado ensayos de compresión después de impacto, por ser este estado de carga el que produce mayores reducciones en las propiedades residuales de las estructuras. Se ha analizado la variación de estas propiedades cuando aumenta la energía de impacto y la influencia que ejerce sobre ellas la disminución de la temperatura. The mechanical flexural behaviour and the damage tolerance of carbon fibre-reinforced epoxy laminates of different stacking sequences are studied in this PhD thesis. The selected materials are among those widely used for structural components in the aeronautical and aerospace industries. The flexural behaviour of these materials was studied by three-point bending tests, and the influence of strain rate was gauged by both static and dynamic tests. Since the materials may be used in aerospace applications, they were tested at the different temperatures they may attain in service conditions. In the dynamic bending tests, a certain noise level tended to mask the material properties. The origin of the noise was investigated by numerical and analytical models. An analysis of the natural frequencies of the striker and of the specimen showed that they were similar to the noise frequencies, so it was possible to filter the signals, retaining the required test data. The models also allowed a calculation of the maximum load at which static equations may be used to derive dynamic material properties. A study of the damage tolerance of structural components after low energy impact at ambient temperature revealed a decrease of the tensile, compressive, bending or buckling strengths after impact, the largest decrease being that of the compressive strength, due to local or global buckling, an effect which was studied at different temperatures. Doctor por la Universidad Carlos III de Madrid. Programa en Tecnologías Industriales Presidente: José Manuel Torralba Castello.- Secretario: José Fernández Sáez.- Vocales: José Pedro Gutiérrez, Jesús Rodríguez Pérez, Luis Castejón

En esta tesis se ha desarrollado un procedimiento de fabricación de materiales compuestos de matriz alúmina reforzados con circona en forma de partículas. El procedimiento es simple y de bajo costo, ya que se compone de una fase de conformado por compresión uniaxial seguido de una fase de densificación mediante un sinterizado sin presión. Sin embargo, con él se ha conseguido fabricar materiales cuyas propiedades mecánicas pueden competir con las obtenidas con otros procedimientos más complejos y costosos. Con este procedimiento se han obtenido probetas de alúmina monolítica de alta pureza, y probetas de alúmina reforzadas con un 15 y un 30% en peso de partículas de circona. Se ha analizado el comportamiento en flexión de los tres materiales fabricados, tanto en condiciones estáticas como dinámicas. Se ha comprobado que, al añadir una segunda fase en forma de partículas a la alúmina, se aumenta considerablemente la resistencia mecánica en flexión y, especialmente, la ductilidad del material resultante. Se ha utilizado la distribución estadística de Weibull de dos parámetros para analizar la dispersión de los valores de las propiedades mecánicas medidas en los ensayos. Utilizando técnicas de simulación aleatoria, se han determinado los mejores métodos de estimación, tanto de los parámetros de la distribución como de sus percentiles. Además, dado que los estimadores de las variables mencionadas son, a su vez, variables aleatorias, se ha realizado una caracterización estadística sistemática mediante funciones representativas de las mismas. Esta caracterización se resume en funciones de ajuste empíricas de los momentos y de los percentiles de dichas variables. In this PhD thesis a manufacturing process for composite materials of alumina matrix reinforced with zirconia particles has been developed. The method is simple and economical, since it consists of a uniaxial compaction followed by a densification phase obtained by means of sintering without pressure. It however manufactures a material with mechanical properties similar to those obtained with more complex and costly procedures. Alumina reinforced with 15 and 30% in weight of zirconia particles and high purity monolithic alumina samples, have been obtained with this method. The static and dynamic bending behaviour of these three materials has been studied. The results showed that adding a second particle phase to the alumina considerably increases the flexure strength and, specially, the ductility of the new material. The two parameter Weibull distribution was used to study the scattering of the mechanical properties obtained from the tests. By means of random simulated techniques, the best estimation method for the parameters of the distribution as well as their percentiles, has been determined. Furthermore, as the estimators of the mentioned variables are, in tum, random variables, a systematic statistical characterisation of these has been performed. This characterisation is summarised in the empirical adjusted functions of the moments and the percentiles. Doctor por la Universidad Carlos III de Madrid. Programa en Ingeniería Mecatrónica Presidente: Javier Gil Sevillano.- Secretario: Ramon Eulalio Zaera Polo.- Vocales: José Luis Pérez Castellanos, Pilar Miranzo López, Isabel Osendi Miranda

En esta tesis se establece un método de caracterización de materiales a altas velocidades de deformación (menores de 1000 s-1) y a diferentes temperaturas (menores de 300 c).se han desarrollado técnicas propias, basadas en la barra hopkinson, que permiten realizar, en las condiciones citadas, ensayos de compresión y fracción directa e indirecta. Se ha llevado a cabo una simulación numérica, mediante el método de los elementos finitos, para esclarecer si los resultados proporcionados por este tipo de ensayos son representativos del comportamiento del material. En los ensayos de compresión se han estudiado los efectos del tamaño de las probetas y del rozamiento. El estudio de los ensayos de tracción directa se ha centrado en la distribución de la deformación en el interior de la probeta, proponiendo correcciones para solventar el problema de la falta de uniformidad. Por otra parte, se ha incorporado un sistema de calentamiento de las probetas para realizar ensayos hasta los 300 c de temperatura. Con el análisis de los ensayos de tracción indirecta o brasileños se ha demostrado que estos ensayos son una alternativa valida para determinar la resistencia a tracción dinámica de materiales frágiles.