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Sandwich composite structures are made of two strong and stiff face-sheets separated by a lightweight core material. They are used in lightweight structures for load-carrying applications in the aerospace, marine, railway and wind-energy industry as a way to increase the bending stiffness and bucking resistance while maintaining a low weight. During their lifetime these structures are subjected to impact events such as the accidental drop of tools during assembly, bird strikes, hailstone impact, or even Foreign Object (FO) impact of stones, debris, etc…. Damage produced by impacts can compromise the integrity of a structure reducing its residual strength and stiffness, causing premature failure of a component under service loads. This PhD thesis studies the mechanical response, impact process, and damage mechanisms taking place in an Intermediate Velocity Impact (IVI) over a sandwich composite panel made of woven carbon/epoxy face-sheets with either agglomerated cork core or PET foam core. This is done by applying a numerical-experimental methodology based on the building block approach used for aircraft certification in which results obtained from numerical models are directly compared with results obtained in the experimental test. In this context, the thesis is divided into three main parts. In the first part of this thesis, the face-sheet and core are treated independently to understand their unique dynamic response and select appropriate constitutive material models for the FEA model implementation. Continuous damaged models are used to model the inter-laminar and intra-laminar fracture behaviour in the face-sheets. The suitability of these models is assessed through the implementation of independent FEA models for fracture tests (modes I & II) and ballistic impact which are validated with experimental experiments from the literature. In the case of the core, the compressive and tensile response of the core materials (agglomerated cork and PET foam) is studied by performing static and dynamic characterization tests. The collected data is then used for the validation of the non-linear material models by implementing an FEA model for dynamic compression. The second part of this thesis studies the IVI event of the whole sandwich panel. This is done by performing a set of experimental impact tests and implementing a detailed explicit/nonlinear FEA model, which is validated against experimental results. The experimental tests are performed using a gas gun together with a different state of the art measuring techniques such as high-speed video recording, 3D Digital Image Correlation x (DIC) and Computed X-ray Tomography (CT). The FEA model is successfully validated and it is used to study the phases and mechanisms of damage evolution present during the impact process, something that is not possible to obtain experimentally and provides a valuable tool to understand the phenomenon. At the most general level, the impact process is dominated by different interacting physical mechanisms such as elastic deformation of the panel, inter-laminar and intra-laminar fracture of the face-sheets, non-linear core deformation, multiaxial core failure and core-face-sheet debonding. Different impact phases are observed and their physical mechanisms explained in detail. The FEA model is also used to perform a comparative analysis of different impact parameters (e.g. impact velocity, core thickness, impact angle, and axial preload) analysing their influence in the mechanical response of the sandwich panels under IVI. The third part of this thesis studies the hailstone impact over the sandwich panels using the developed FEA model of the sandwich panel together with a particles model for the hailstone. The interaction between the dominant physical mechanisms in the sandwich panel (e.g. elastic response, face-sheet damage, core failure, etc…) and the fragmentation of the hailstone are explained in detail together with some failure modes expected in this kind of event and the severity of the impact extended for two different hailstone sizes. Las estructuras tipo sándwich están compuestas a partir de dos placas rígidas y resistentes separadas por un núcleo liviano. Se utilizan en estructuras ligeras en industrias como la aeroespacial, marina, ferroviaria y eólica como una forma de aumentar la rigidez a la flexión y la resistencia al pandeo, manteniendo un peso reducido. Durante su vida útil, estas estructuras están sujetas a eventos de impacto, como la caída accidental de herramientas durante el montaje, impactos de pájaros, impactos de granizo o incluso impactos de objetos extraños (piedras, escombros, etc…). Los daños producidos por impactos pueden comprometer la integridad de una estructura reduciendo su resistencia y rigidez residuales, provocando la falla prematura de un componente bajo cargas de servicio. Esta tesis doctoral estudia la respuesta mecánica, el proceso de impacto y los mecanismos de daño que tienen lugar en un impacto de velocidad intermedia (IVI) sobre un panel sándwich fabricado a partir de laminados de tejido de carbono/epoxi con núcleo de corcho aglomerado o núcleo de espuma PET. El estudio se realiza mediante la aplicación de una metodología numérico-experimental basada en el enfoque de bloques de construcción utilizado típicamente para la certificación de aeronaves en el que los resultados obtenidos de los modelos numéricos se comparan directamente con los resultados obtenidos en la prueba experimental. En este contexto, la tesis se divide en tres partes principales. En la primera parte, el laminado y el núcleo se tratan de forma independiente para comprender su respuesta dinámica única y seleccionar modelos de materiales constitutivos apropiados para la implementación del modelo FEA. Se utilizan modelos de daño continuo para modelar el comportamiento de fractura inter-laminar e intra-laminar en las laminados. La idoneidad de estos modelos se evalúa mediante la implementación de modelos FEA independientes para ensayos de fractura (modos I y II) e impacto balístico que se validan con datos experimentales de la literatura. En el caso del núcleo, se estudia la respuesta a compresión y tracción de los materiales del núcleo (corcho aglomerado y espuma PET) mediante la realización de ensayos de caracterización estática y dinámica. Los datos recopilados se utilizan para validar los modelos de materiales no lineales mediante la implementación de un modelo FEA para compresión dinámica. La segunda parte de esta tesis estudia el evento IVI del panel sándwich completo. Se ha realizado un conjunto de pruebas de impacto experimentales e implementando un modelo FEA explícito/no-lineal detallado que se valida con resultados experimentales. Para las pruebas de impacto se utiliza un cañon de gas empleando diferentes técnicas de medición de última generación como grabación de video de alta velocidad, la correlación de imágenes digitales (DIC) en 3D y tomografía de rayos X computarizada (CT). El modelo FEA se valida satisfactoriamente y se utiliza para estudiar las fases y mecanismos de evolución del daño que ocurren durante el impacto; algo que no es posible experimentalmente y que proporciona una valiosa herramienta para comprender el fenómeno. A nivel general, el proceso de impacto está dominado por diferentes mecanismos físicos que interactúan entre si como la deformación elástica del panel, la fractura inter-laminar e intra-laminar de los laminados, la deformación no lineal del núcleo, la falla multiaxial del núcleo y el despegue entre núcleo y laminado. Se observan diferentes fases de impacto y se explican en detalle sus mecanismos físicos. El modelo FEA también se utiliza para realizar un análisis comparativo de diferentes parámetros del problema (por ejemplo, velocidad de impacto, espesor del núcleo, ángulo de impacto y precarga axial) analizando su influencia en la respuesta mecánica de los paneles sándwich bajo IVI. La tercera parte de esta tesis estudia el impacto del granizo en los paneles sándwich utilizando el modelo FEA desarrollado del panel sándwich junto con un modelo de partículas para el granizo. Se explica en detalle la interacción entre los mecanismos físicos dominantes en el panel sándwich (por ejemplo, respuesta elástica, daño en la cara frontal, falla del núcleo, etc.) y la fragmentación del granizo asi como algunos modos de falla esperados en este tipo de evento y la severidad de la extensión de daño asumiendo dos tamaños diferentes de granizo. Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Jacobo Díaz García.- Secretario: Shirley Kalamis García Castillo.- Vocal: Alberto Solís Fajardo

La Gran Isla de Basura del Pacifico, el cambio climático y el efecto invernadero son solamente algunas de las consecuencias negativas debidas a la explotación masiva y desconsiderada del petróleo para la producción de materiales sintéticos, como los plásticos. En muchos sectores industriales se emplean ampliamente materiales compuestos que utilizan polímeros sintéticos para la fabricación de matrices y fibras sintéticas, i.e. vidrio, carbono y polímeros, para la fabricación de refuerzos. La polución del aire, del agua y del suelo generadas por la dificultad asociada a la eliminación de estos materiales no biodegradables y la contaminación producida durante su fabricación ha llevado a muchos países a promulgar normativas más restrictivas en el tema de eliminación de la basura y de emisiones gases de efecto invernadero. Existe una tendencia creciente hacia un modelo industrial eco-sostenible, destinada a frenar los efectos dañinos en el medio ambiente. Una de las opciones para alcanzar este modelo es la utilización de materiales de origen natural y de fuentes renovables. Esto tipo de materiales no solo reducen el impacto ambiental del proceso de producción las emisiones de CO2, sino que también facilita la eliminación de los componentes al final de su vida útil gracias a una parcial o total biodegradabilidad. La presente Tesis Doctoral se integra en este contexto de respeto al medio ambiente proponiendo una estructura sándwich compuesta por un núcleo de corcho aglomerado y pieles fabricadas con un laminado de tejido hibrido de fibras de basalto y lino en una matriz de polipropileno. La sustitución de las tradicionales espumas sintéticas, empleadas como núcleos de las estructuras sándwich, por corcho aglomerado permitiría utilizar un material biodegradable y de fuentes renovables. Este material se fabrica a partir de los desechos derivados de la producción de los tapones de corcho permitiendo así un máximo aprovechamiento de los recursos naturales cultivados. Se debe considerar que, además, el corcho aglomerado se caracteriza por poseer algunas propiedades extremadamente ventajosas como un buen aislamiento térmico y acústico, útil en el mundo de las construcciones para mejorar la eficiencia energética de los edificios. Además, este material presenta una impresionante recuperación dimensional, fundamental para asegurar una mayor estabilidad dimensional de la estructura sándwich. Teniendo en cuenta que la optimización del peso y de las propiedades mecánicas es un aspecto fundamental en el diseño de un material sándwich para conseguir una estructura lo más eficiente posible, en este trabajo se ha analizado la influencia de la densidad del corcho aglomerado en las propiedades físicas, térmicas y mecánicas del núcleo y de la estructura sándwich completa estudiando tres corchos aglomerados con tres diferentes densidades. Adicionalmente, el mismo estudio realizado para el corcho fue realizado también para tres espumas de policloruro de vinilo (PVC) ampliamente usadas y de propiedades conocidas que sirven de referencia para resaltar las fortalezas y los puntos débiles del núcleo natural y para demostrar su idoneidad como núcleo en estructuras sándwich. Para las pieles se ha elegido como refuerzo un tejido hibrido de fibras de basalto y lino para mantener lo máximo posible la naturaleza eco-sostenible de la estructura sándwich, evitando el empleo de fibras de vidrio, ampliamente usadas, y utilizando materiales de origen mineral y vegetal y de fuentes renovables. El empleo de la técnica de hibridación permite superar las desventajas relacionadas con el uso de un único tipo de fibra y mejorar la calidad de los laminados explotando el efecto sinérgico relacionado con las fortalezas de ambas fibras. Las fibras de basalto aseguran la consecución de propiedades mecánicas satisfactorias mientras que la presencia de las fibras de lino permite reducir el peso del compuesto confiriéndole también una parcial biodegradabilidad. Aunque las estructuras sándwich sean ampliamente usadas en muchas aplicaciones industriales gracias a sus excelentes propiedades a flexión y a su bajo peso derivados de su peculiar estructura, su vulnerabilidad a los fenómenos de impacto es una de sus limitaciones en aplicaciones estructurales. Por esta razón, el estudio del comportamiento a impacto de las estructuras sándwich, en particular la resistencia y la tolerancia al daño, es fundamental para el conocimiento de los diferentes mecanismos de daño que pueden ocurrir y como estos puedan afectar las prestaciones mecánicas y la capacidad resistente de las estructuras. Teniendo en cuenta esta carencia que afecta las estructuras sándwich, el segundo objetivo de esta tesis es disponer de un conocimiento adecuado del comportamiento a impacto de las estructuras sándwich propuestas, para asegurar su idoneidad en todas aquellas aplicaciones en que la resistencia a impacto tiene que estar incluida en los criterios principales del diseño. Se ha estudiado el comportamiento a impacto de las estructuras sándwich seleccionadas en diferentes condiciones de impacto, en particular punzonamiento, impacto a baja velocidad con soporte CAI (Compression After Impact) e impacto balístico. Los ensayos de punzonamiento y los de impacto a baja velocidad con soporte CAI permitieron evaluar la influencia de las condiciones de contorno de la estructura y la modificación de los mecanismos de deformación y de disipación de la energía. La realización de ensayos de impacto de baja y alta velocidad permitió evaluar el efecto de la masa y la velocidad de impacto de las estructuras. Esta oportuno subrayar que dicho estudio no fue efectuado solamente sobre las estructuras sándwich completas sino también sobre los núcleos y las pieles de manera independiente, para comprender el comportamiento a impacto de las componentes individuales y evaluando la interacción entre ellos en la estructura sándwich completa. Para completar el trabajo, se ha analizado la influencia de la densidad de los núcleos y la temperatura de servicio en la respuesta a impacto de la estructura y de sus diferentes componentes. Se ha realizado un análisis post impacto a través de técnicas no destructivas, como por ejemplo la perfilómetria, para cuantificar la extensión del daño. En vista de la notable influencia ejercida de las cargas dinámicas sobre las estructuras sándwich y teniendo en cuenta las extraordinarias capacidades de recuperación dimensional del corcho y para profundizar en el conocimiento de su comportamiento a compresión, se han realizado ensayos de compresión dinámicas a diferentes velocidades de deformación sobre los núcleos, en torre de caída de peso y en barra Hopkinson, teniendo en cuenta el efecto de varios parámetros como la anisotropía, la temperatura y el número de impactos sucesivos. Este último parámetro es muy importante para conocer el efecto provocado por una acumulación del daño con el paso del tiempo y como resultado de la exposición a varios fenómenos de impacto de menor entidad respecto al efecto causado de un impacto individual de mayor entidad. La elección del polipropileno como matriz polimérica en la fabricación de las pieles está estrechamente relacionada con los dos principales objetivos de la Tesis. Desde la perspectiva del impacto ambiental el polipropileno no es biodegradable, pero siendo un polímero termoplástico puede ser reprocesado y reciclado de manera sencilla al final de la vida útil del componente contrariamente a lo que ocurre con las matrices termoestables que se pueden eliminar solamente como residuos para explotar su valor calorífico. Desde la perspectiva de la resistencia a impacto y de la tolerancia al daño, el uso de una matriz termoplástica dúctil respecto a una termoestable, que es intrínsecamente frágil, permite explotar mecanismos adicionales de disipación de energía, como por ejemplo la plasticidad de la matriz, que pueden prevenir un daño excesivo del componente o su rotura catastrófica. Considerando la pésima adherencia en la interfaz entra las fibras naturales hidrófilas y la matriz hidrófoba y el efecto negativo que este fenómeno presenta en las propiedades mecánicas, se ha decidido estudiar el efecto de un agente de acoplamiento a base de anhídrido maleico sobre las propiedades mecánicas cuasi-estáticas y dinámicas de las pieles y de las estructuras sándwich. Se ha observado que, la mejora de la adhesión entre fibra y matriz resulta positivo para las propiedades cuasi-estáticas, produciendo un incremento en la rigidez y en la resistencia máxima. Sin embargo, la presencia del agente de acoplamiento empeora la respuesta frente a cargas de impacto estructura induciendo una fragilización del compuesto a causa de la inhibición de algunos mecanismos de disipación de la energía. En vista de esto se considera que, el uso del agente de acoplamiento tiene que ser evaluado de manera específica en función de la aplicación de la estructura sándwich. Por último, se ha realizado a una modelización numérica empleando un código comercial de elementos finitos tanto del núcleo corcho como del núcleo de espuma de PVC. El objetivo con este modelo es demostrar que es posible utilizar modelos simples que permitan predecir la respuesta de las estructuras y aumentar así su utilización a escala industrial donde se prefiere el empleo de materiales conocidos para reducir potenciales contraindicaciones y donde la posibilidad de predecir el comportamiento de un material a través de una simulación numérica permite reducir considerablemente los costes de producción. Il Great Pacific Garbage Patch, i cambiamenti climatici, l’effetto serra sono solo alcuni dei risvolti negativi dovuti allo sconsiderato sfruttamento del petrolio e dei prodotti chimici nella produzione di materiali sintetici, come le plastiche e le fibre di rinforzo dei materiali compositi, largamente impiegati nei più svariati settori industriali e nella produzione di massa. La contaminazione dell’aria, dell’acqua e del suolo risultante dalle ingenti emissioni di agenti inquinanti e dalle difficoltà connesse con lo smaltimento di questi materiali non biodegradabili, ha spinto molti paesi ad emanare normative sempre più restrittive in materia di smaltimento dei rifiuti ed emissioni. Questo orientamento green, volto a contrastare gli effetti dannosi sull’ambiente causati dalla produzione industriale, incoraggia lo sfruttamento di materiali provenienti da fonti rinnovabili al fine di ridurre le emissioni di CO2 e, quindi, l’impatto ambientale del processo produttivo e di facilitare lo smaltimento del componente a fine ciclo vita grazie ad una parziale o totale biodegradabilità. Il seguente lavoro si inserisce in questo contesto ecosolidale proponendo una struttura sandwich green prodotta con core in sughero agglomerato e pelli in polipropilene rinforzato con tessuto ibrido basalto-lino. La sostituzione delle tradizionali schiume sintetiche, impiegate come core, con il sughero agglomerato consentirebbe lo sfruttamento di un materiale biodegradabile e da fonte rinnovabile approfittando degli scarti provenienti dalla produzione dei tappi di sughero che altrimenti andrebbero persi consentendo, tra l’altro, il pieno utilizzo del materiale coltivato. È inoltre necessario considerare che il sughero agglomerato presenta alcune caratteristiche estremamente vantaggiose come un buon isolamento termico ed acustico, utili nel mondo dell’edilizia per migliorare l’efficienza energetica degli edifici, e un eccezionale recupero dimensionale fondamentale per assicurare una maggior stabilità dimensionale alla struttura sandwich con esso prodotta. Considerando che l’ottimizzazione del peso e delle proprietà meccaniche è un aspetto chiave nella progettazione dei compositi sandwich per ottenere la struttura più performante possibile, si è affrontata l’influenza esercitata dalla densità del sughero agglomerato sulle proprietà fisiche, termiche e meccaniche del solo core e della struttura complessiva attraverso lo studio di tre sugheri agglomerati caratterizzati per l’appunto da una diversa densità. In aggiunta, la stessa campagna sperimentale effettuata sul sughero è stata realizzata anche su tre schiume in polivinilcloruro (PVC) con caratteristiche note e consolidate in modo tale che fungessero da riferimento e consentissero di evidenziare i punti di forza e di debolezza del materiale naturale nonché di legittimarne l’idoneità come materiale core. Anche la selezione del tessuto ibrido basalto-lino come rinforzo per le pelli è da attribuire alla volontà di mantenere il più possibile la natura ecosolidale del composito sandwich evitando di ricorrere alle fibre di vetro, già massicciamente impiegate, e sfruttando materiale di origine minerale e vegetale e quindi da fonte rinnovabile. Peraltro, l’impiego della tecnica dell’ibridizzazione consente di superare gli svantaggi connessi con l’uso del singolo tipo di fibra e di migliorare la qualità del laminato sfruttando l’effetto sinergico connesso ai punti di forza di ambedue. Nel caso specifico le fibre di basalto assicurano il raggiungimento di proprietà meccaniche soddisfacenti mentre la presenza del lino consente di ridurre il peso del composito conferendogli anche una parziale biodegradabilità. Nonostante i compositi sandwich risultino insostituibili in molte applicazioni industriali grazie alle incomparabili proprietà flessionali e il basso peso attribuibili alla loro peculiare struttura, la loro vulnerabilità ad eventi di impatto ne impedisce una diffusione su larga scala. La compromissione dell’integrità e della stabilità strutturale dovuta all’impatto e la conseguente riduzione delle proprietà meccaniche residue tende a rendere queste strutture meno affidabili. Per tale ragione, lo studio del comportamento ad impatto dei compositi sandwich, e in particolare la loro resistenza e tolleranza al danno, risulta fondamentale per comprendere gli innumerevoli meccanismi di danneggiamento che possono intervenire e come gli stessi influenzino le prestazioni meccaniche e le capacità portante della struttura. In considerazione di questa carenza che affligge le strutture composite sandwich, il secondo scopo di questo lavoro è fornire un’accurata caratterizzazione del comportamento ad impatto dei nuovi biocompositi proposti per assicurarne l’idoneità in tutte quelle applicazioni industriali in cui la resistenza all’impatto deve essere inclusa tra i criteri principali di progetto. Varie condizioni di impatto sono stata considerate, in particolare impatto puncture, impatto con supporto CAI (Compression After Impact) e impatto balistico, al fine di presentare una caratterizzazione più accurata possibile del comportamento ad impatto delle strutture composite in studio. L’esecuzione dei test di tipo puncture e di tipo CAI ha consentito di valutare l’influenza esercitata dalle condizioni a contorno del supporto e la conseguente alterazione dei meccanismi di deformazione e di dissipazione dell’energia da esso derivanti mentre i test di impatto balistico hanno consentito di valutare l’effetto della massa e della velocità di impatto passando dagli impatti a bassa velocità effettuati con masse pesanti a impatti più localizzati effettuati con elevate velocità e piccole masse. È opportuno evidenziare che la suddetta campagna sperimentale non è stata effettuata solamente sulle strutture sandwich complete, ma anche sui soli core e sulle sole pelli al fine di comprendere al meglio lo scenario di danneggiamento separando il comportamento ad impatto delle singole componenti e valutando solo in un secondo momento come esso evolve in conseguenza dell’assemblaggio del composito. Per completare soddisfacentemente il lavoro parametri quali la densità dei core e la temperatura di esercizio sono stati presi in considerazione, con lo scopo di valutare come questi modificassero la reazione all’impatto della struttura e delle sue componenti, ed è stata effettuata un’analisi post-impatto attraverso tecniche non distruttive, come ad esempio la profilometria, al fine di ottenere informazioni utili a supportare l’analisi dinamica della struttura e a quantificare l’estensione del danno. Alla luce della notevole influenza esercitata dai carichi dinamici sulle strutture sandwich e in considerazione delle straordinarie capacità di recupero dimensionale del sughero, ulteriori test dinamici, come compressioni dinamiche in torre a caduta di peso e test in barra Hopkinson, sono stati effettuati sui soli core al fine di approfondire lo studio relativo al loro comportamento a compressione prendendo in considerazione l’effetto di vari fattori come la velocità di deformazione, l’anisotropia, la temperatura e il numero di impatti. Quest’ultimo è di particolare importanza per conoscere l’effetto provocato dall’accumulazione del danno con il passare del tempo a seguito dell’esposizione del componente a vari eventi di impatto di minor entità rispetto all’effetto dannoso causato da un singolo impatto di maggior entità. La scelta di impiegare il polipropilene come matrice polimerica per la produzione delle pelli è strettamente correlata con i due obiettivi della tesi. Dal punto di vista dell’impatto ambientale il polipropilene non è biodegradabile, ma essendo un polimero termoplastico può essere facilmente riprocessato e riciclato a fine ciclo vita al contrario delle matrici termoindurenti che possono essere solamente smaltite e termo-valorizzate per sfruttare il loro potere calorifico. Dal punto di vista della resistenza e della tolleranza al danno, l’uso di una matrice termoplastica duttile rispetto ad una termoindurente, che a causa della sua struttura a network 3D è intrinsecamente fragile, permette di sfruttare meccanismi addizionali di dissipazione dell’energia, come ad esempio la plasticizzazione della matrice, che possono prevenire un danneggiamento eccessivo del componente o una sua rottura catastrofica. Tenendo poi in considerazione le ingenti problematiche connesse con la pessima interfaccia che si viene a creare tra le fibre naturali idrofile e la matrice polimerica idrofoba e le scarse proprietà meccaniche risultanti, si è deciso di studiare l’effetto di un agente accoppiante a base di anidride maleica, inserito nel master batch della matrice, sulle proprietà quasi statiche e dinamiche delle sole pelli e delle strutture sandwich complessive. Si è visto che se il miglioramento dell’adesione tra fibra e matrice risulta positivo per le proprietà quasi statiche determinando un aumento della rigidezza e della resistenza massima esso gioca un ruolo negativo nella risposta dinamica ad impatto della struttura inducendo un infragilimento del composito a causa dell’inibizione di alcuni meccanismi di dissipazione dell’energia. Alla luce di ciò, anche l’uso dell’agente accoppiante deve essere accuratamente valutato a seconda dell’applicazione del composito se si desidera ottenerne un’ottimizzazione delle prestazioni. Infine, si è provveduto ad effettuare una modellizzazione agli elementi finiti sia del sughero che delle schiume in PVC con l’intento di standardizzare la modellizzazione di un materiale innovativo e relativamente nuovo come il sughero nella speranza di incoraggiare il suo utilizzo su scala industriale dove l’impiego di materiali consolidati è normalmente preferito per ridurre potenziali controindicazioni e dove la possibilità di predire il comportamento di un materiale attraverso una semplice simulazione numerica consente di ridurre notevolmente i costi di produzione. The Great Pacific Garbage Patch, the climate change, the greenhouse effect are only some of the implications of a thoughtless exploitation of crude oil and chemicals for the production of synthetic materials such as plastics and fibrous reinforcements which are extensively used in many industrial fields and in mass production. The resulting contamination of air, water and soil due to the huge emission of pollutants and to the complex disposal of these non-biodegradable materials, pushed many countries to promulgate more restrictive regulations in the field of waste disposal and emissions. This green tendency, intended to counteract the detrimental effect of industrial production on the environment, encourages the exploitation of bio-based materials from renewable resources with the aims of reducing the carbon footprint of the production process and facilitating the disposal of the component at the end of its life-cycle thanks to a partial or total biodegradability. The present work is part of this eco-friendly framework proposing a green sandwich structure made up with an agglomerated cork core and with polypropylene skins reinforced with a flax/basalt hybrid fabric. The replacement of traditional synthetic foam cores with agglomerated cork would allow to exploit a biodegradable material from renewable resources taking advantage of the wastes derived from wine stopper production, which otherwise would be lost, thus ensuring a full exploitation of the harvested material. Moreover, agglomerated cork is characterized by favorable features like a good acoustic and thermal insulation capability useful to improve energy efficiency in buildings and construction and an outstanding dimensional recovery capacity beneficial to ensure an improved dimensional stability to the overall sandwich structure. Considering that the optimization of weight and mechanical properties is one of the key parameters in sandwich composites design in order to obtain the most performing structure, the influence of agglomerated cork density on the physical, thermal and mechanical properties of the sole core and of the overall sandwich structure was addressed investigating three agglomerated corks with different densities. Moreover, to point out the advantages and the drawbacks connected with agglomerated cork and to legitimate its feasibility as core material, three well established PVC foams with the same densities were subjected to the same experimental campaign carried out on cork in order to provide a good benchmark. The selection of a flax/basalt hybrid fabric as skin reinforcement is intended to preserve the eco-friendliness of the sandwich structure avoiding the massively employed glass fibers and exploiting materials from vegetable and mineral renewable resources. Moreover, the hybridization enables a synergistic exploitation of both fiber types. In particular, basalt fibers add satisfying mechanical performances while flax fibers provide a reduction of laminate weight and its partial biodegradability. If sandwich structures are irreplaceable in many industrial applications thanks to the unique flexural properties together with a low weight that derive from the peculiar design, their high susceptibility to impact events prevents their massive widespread. The degradation of the structural integrity and stability resulting from these occurrences and the corresponding reduction of the residual mechanical properties can make them unreliable. For this reason, the investigation of the impact response of sandwich composites, i.e. damage resistance and damage tolerance, is essential to be aware of the several failure mechanisms that can intervene and how they affect the mechanical performances and the load bearing capabilities of the structure. Considering this flaw that vexes these structures, the second aim of this work is to provide an extensive characterization of the impact response of these novel bio-based composites in order to grant their feasibility in all those industrial fields where impact resistance needs to be included in the design criteria. In order to present a thorough characterization of the impact response of the structures under study, different impact conditions were considered, i.e. puncture impact tests, impact tests with compression after impact (CAI) support and ballistic impact tests. The execution of puncture and CAI impact tests allows to evaluate the influence of different boundary conditions and a potential alteration of the deformation and energy dissipation mechanisms whereas the execution of ballistic impact tests permits to assess the effect of impact mass and velocity moving from low velocity impacts performed with a heavy mass to more localized high velocity impacts performed with a little mass. Moreover, this experimental campaign was carried out not only on the overall structures but also on the sole cores and skins in order to achieve a more accurate understanding of the damage scenario splitting up the impact behavior of the single components and evaluating only at a later time how it evolves as a consequence of composite ensemble. Various parameters such as core density and operating temperature were considered in order to evaluate how structure’s response to impact modifies and a post-impact analysis through non-destructive technique such as profilometry was carried out to support the dynamic analysis of structures and to quantify damage extent. In light of the high importance played by dynamic loading on sandwich structures and of the peerless dimensional recovery of agglomerated cork, further impact investigations, i.e. drop weight tower dynamic compression tests and split Hopkinson pressure bar (SHPB) tests, were carried out on the sole core materials to examine the effect of strain rate, anisotropy, temperature and number of impacts. This latter parameter is of main importance to evaluate the effect of an accumulation of damage over time induced by minor impact events rather than the detrimental effect caused by a single impact. The choice to use polypropylene as polymer matrix in skin manufacture is strictly correlated with the two main goals of the work. From the environmental point of view, polypropylene is not biodegradable, but being a thermoplastic polymer can be easily reprocessed and recycled at the end of its life cycle contrary to thermosetting matrices that can only be disposed and used to waste-to-energy to exploit their heating value. From the damage resistance and damage tolerance point of view, the use of a ductile thermoplastic matrix rather than a thermosetting one, which is intrinsically brittle due to its 3D network structure, allows to introduce additional energy dissipation mechanisms like matrix plasticization that can prevent an excessive damage and the catastrophic failure of the overall structure. Considering the relevant fiber/matrix interface issues between the hydrophilic natural fibers and the hydrophobic polymer matrices and hence the poor resulting mechanical properties, the effect of a maleic anhydride coupling agent, added to the matrix master batch, on the quasi-static and dynamic properties of the sole skins and of the overall sandwich structures was investigated. If the improved fiber/matrix adhesion plays a positive role on the quasi-static properties of both laminates and sandwich panels determining an increase in stiffness and maximum strength, it induces an embrittlement in dynamic impact conditions as some energy dissipation mechanisms are prevented. For this reason, the use or not of coupling agent is another aspect to evaluate carefully depending on composite application to optimize the performances. Finally, a finite element modelling was performed on both agglomerated cork and PVC foam in order to standardize the modelling of an innovative and relatively new material as cork, encouraging its spread at an industrial level where the use of well-established materials is normally preferred to reduce the possibility of setbacks and where the possibility to predict the response of a material through numerical simulation allows to reduce the manufacturing costs. Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad Carlos III de Madrid Electrical, Material and Nanotechnology Engineering Sapienza Università di Roma Presidente: Hom Nath Dhakal.- Secretario: Inés Iváñez del Pozo.- Vocal: Vincent Placet

Los receptores centrales solares son sistemas complejos bajo condiciones de trabajo severas: el flujo de calor cíclico durante el día que causa estrés térmico, y el contacto con un fluido corrosivo, que circula a través de los tubos que componen los paneles del receptor. Las condiciones de contorno mecánicas de estos tubos, fuertemente hiperestáticas y que evitan su flexión, inducen importantes tensiones en la estructura. Bajo estas condiciones de trabajo, los tubos pueden sufrir de fatiga, fluencia y altas tensiones de origen térmico. Esta tesis doctoral profundiza en la caracterización de las tensiones térmicas en los receptores solares tubulares, explorando sus causas y encontrando las condiciones que más influyen en las mismas. El objetivo de esta tesis doctoral es proporcionar una visión más detallada del problema de las tensiones térmicas en los receptores solares tubulares, dando recomendaciones y herramientas de análisis para el proceso de diseño de dichos receptores. Concretamente, se han estudiado receptores solares centrales de tipo cilíndrico, ubicados en la parte superior de una torre, y rodeados de espejos. Estos espejos, llamados heliostatos, redirigen la radiación solar hacia el receptor. En primer lugar, se han presentado las condiciones de contorno que afectan a las tensiones térmicas, junto con la descripción del problema estudiado, correspondiente a una planta de energía solar real. Se introduce la metodología numérica utilizada en esta tesis doctoral para calcular las tensiones térmicas, y se verifica con las metodologías analíticas existentes. Las condiciones de contorno térmicas en el tubo se calculan previamente con modelos analíticos existentes, y son introducidas en el modelo numérico. Se ha comparado la tensión existente en tubos con condiciones de contorno mecánicas que impiden su flexión, y en tubos sujetos a la estructura del receptor mediante soportes longitudinales, denominados clips. Además, se ha estudiado la influencia de las variaciones de temperatura (radiales, circunferenciales y longitudinales) en la tensión. También se presenta el estudio de la variación de las tensiones térmicas en un receptor central solar durante su ciclo diario de funcionamiento. Los mencionados estudios ponen de manifiesto la influencia de la variación circunferencial de temperatura, causante de la flexión de los tubos, y como las condiciones de contorno mecánicas impiden dicha flexión, aumentando así la tensión. A continuación, se ha desarrollado un modelo analítico que reduce el coste computacional en comparación con los modelos numéricos, empleando el método matricial de la rigidez. Para las diferentes estrategias de apuntamiento de los helióstatos, este modelo se utiliza para calcular la tensión térmica y el desplazamiento en los tubos del receptor, en función del número de apoyos longitudinales. Cuando la distancia entre soportes es reducida, las metodologías analíticas que emplean la hipótesis de deformación plana generalizada son capaces de calcular correctamente la tensión térmica a lo largo del tubo. Los mayores desplazamientos en el tubo aparecen en los extremos, sobre todo cuando los heliostatos apuntan a los bordes del receptor. Para separaciones pequeñas entre los apoyos, apuntar los heliostatos hacia el ecuador del receptor reduce el desplazamiento máximo, a costa de aumentar la tensión térmica. El estudio previo de las estrategias de apuntamiento óptimas puede que homogenicen el flujo de calor a lo largo del tubo reduciría la tensión y los desplazamientos en el receptor. También se ha analizado la posibilidad de colocar los apoyos no uniformemente espaciados a lo largo del tubo, para reducir su deformación. La ubicación de los apoyos debe ser estudiada cuidadosamente para cada estrategia de apuntamiento, siendo en los extremos del tubo donde se suele localizar los desplazamientos máximos, especialmente cuando la distancia entre los apoyos es pequeña. Empleando apoyos no uniformemente espaciados, es posible reducir el desplazamiento máximo en el tubo. Finalmente, se ha considerado la geometría de estos soportes longitudinales en los modelos. Se ha estudiado su influencia mediante modelos numéricos en las tensiones térmicas y el desplazamiento de los tubos, considerando distintos tamaños de los soportes. Los resultados han sido comparados con el modelo analítico, en el que se ha intentado reflejar el tamaño de los soportes de forma simplificada. También se ha considerado la posibilidad de que existan pérdidas de calor a través de los apoyos longitudinales. Dicho estudio se ha realizado empleando varios modelos numéricos, obteniendo la distribución de la temperatura y las tensiones térmicas consiguientes. Aunque hay cierta reducción de la temperatura en la parte posterior de los tubos, no se observan cambios notables en las tensiones térmicas cuando la forma de los soportes longitudinales es considerada. Solar central receivers are complex systems under severe working conditions: cyclic heat flux during the day that causes thermal stress, and the contact with a corrosive fluid, which flows through the tubes which compose the receiver panels. The boundary mechanical boundary conditions of the receiver tubes are highly hyperstatic, preventing the tube bending and the panel warpage. Under these working conditions, tubes can suffer from fatigue, creep, and thermal stress problems. This doctoral dissertation deepens in the thermal stresses characterization in tubular solar receivers, exploring its causes and finding the conditions that influence the most in the thermal stresses. The aim of this doctoral thesis is to provide a more detailed insight into the thermal stress problem in solar tubular receivers, giving recommendations and analysis tools for the design process of those receivers. Firstly, the boundary conditions that affect thermal stresses, along with the studied problems from a real solar power plant are presented. The numerical methodology used in this doctoral thesis to calculate the thermal stresses is introduced, and it is verified with existing analytical methodologies. The influence of temperature variations (radial, circumferential, and longitudinal) in thermal stress has been studied. The study of thermal stresses variation in a solar central receiver during its daily operation is also presented. This study highlights the influence of the mechanical boundary conditions and the circumferential temperature variation in the thermal stress of the tubes. An analytical model that reduces the computation cost compared with numerical models has been developed. For different heliostat aiming strategies, this model is used to calculate the thermal stress and deflection of the receiver tubes, as a function of the number of longitudinal supports. The use of non-uniformly spaced supports to reduce the tube deflection is also analyzed. The location of the supports has to be carefully studied for each aiming strategy, being the tube ends where maximum deflection is usually located when the distance between supports is small. When the distance between supports is small, generalized plane strain methodologies calculate the thermal stress along the tube accurately. Finally, the shape of those longitudinal supports has been taken into account. Their geometry has been added to the numerical model to study the influence in the thermal stresses and tube deflection, for different sizes. Analytical results trying to mirror those boundary conditions have been compared. The possibility of heat losses through the supports has been also considered. It was been studied with several numerical models, obtaining the temperature distribution and the consequent thermal stresses. Although there is some temperature reduction in the rear are of the tubes, no remarkable changes in the thermal stresses can be observed when supports shape is considered. Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Jacobo Porteiro Fresco.- Secretario: José Alfonso Artero Guerrero.- Vocal: Jesús Fernández Reche

Mención Internacional en el título de doctor Ductile metals are commonly used in the manufacture of protective structures. These structures may be submitted to impact or blast loads and their aptitude to absorb the energy of the dynamic load is strongly related to their ability to delay the onset of plastic instabilities. Numerous investigations, in the last two decades, have been dedicated to the study of plastic instabilities leading to a deeper knowledge on the effect that individually inertia, strain rate, loading path have on plastic instabilities and failure. However, the coupled influence of the material behaviour and loading effects deserves further analysis. This doctoral thesis contributes to the understanding of the key role played by material behaviour on the formation of dynamic necking instabilities.We focus our attention on the role played by porosity, tension-compression asymmetry and anisotropy. On the one hand we consider flat tensile specimens initially at rest and subjected to dynamic uniaxial tension and elucidate, using finite element calculations, the role of porosity and the combined role of anisotropy and tension-compression, respectively, on the characteristics of the necking bands incepted in the specimens. On the other hand we consider specimens subjected to dynamic loading conditions consistent with expanding rings and tubes and bring to light, using finite element calculations and linear stability analysis, the role played by porosity and tension-compression asymmetry, respectively, on the formation of multiple localization patterns. The research leading to the results reported in this doctoral thesis has received funding from the European Union’s Horizon2020 Programme (Excellent Science, Marie Skłodowska-Curie Actions) under REA grant agreement 675602 (Project OUTCOME). Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad Carlos III de Madrid Presidente: Odd Sture Hopperstad.- Secretario: Christophe Czarnota.- Vocal: Nicolas Jaques

Mención Internacional en el título de doctor Composite materials are widely used nowadays to build structures and protections. Their good mechanical properties along with their light weight has lead to an increase in the use of these materials over the last decades. Specifically, Glass Fibre Reinforced Polymers (GFRP) plates are really resistant to corrosion and permeable to electromagnetic waves. Because of that, GFRP are suitable for naval and telecommunication applications. Although these structures may not be designed as protections they may be subjected to different kind of impacts during their service life. Since some elements can be critical, safety must be ensured and thus engineers need a deeper knowledge of the impact performance. That is why the development of analytical, theoretical and finite element models is a hot topic in order to predict critical design factors such as the ballistic limit. This doctoral thesis focuses on the modelling of the high-velocity impact phenomenon through different approaches in order to reproduce better the effects that take place during a high-velocity impact. First of all, a wide set of experiments have been carried out to obtain the data necessary for the models. Characterization tests have been carried out to know the mechanical properties needed for the models. Furthermore, ballistic impact tests have been performed on 9 mm thick specimens. In addition, non-destructive inspection tests have been carried out to evaluate the damaged area after impact. After that, two non-dimensional energy-based theoretical models are presented in order to predict the ballistic behaviour of woven GFRP plates. Some important nondimensional groups that are useful to analyze the behaviour and validity of the models appear naturally using this formulation. Hypotheses based on physical phenomena are also taken into account in the formulation. Then, a finite element model is developed by means of a new constitutive model and a continuum damage mechanics approach to predict the performance of GFRP plates under high-velocity impact. In addition, the failure modes of this model are formulated in such a way that allows to associate the energy dissipated by each of them to the energy absorption mechanisms defined in the theoretical models. Finally, some of the new hypotheses assumed in the theoretical models are validated with the finite element one. Furthermore, the energy absorption mechanisms are compared between both approaches to draw enlightening conclusions. Los materiales compuestos se utilizan ampliamente en la actualidad para construir estructuras y protecciones. Sus buenas propiedades mecánicas junto con su bajo peso específico han favorecido un incremento en el uso de estos materiales durante las últimas décadas. En concreto, los laminados reforzados con fibra de vidrio (GFRP en inglés) son muy resistentes a la corrosión y permeables a las ondas electromagnéticas. Por esta razón, los GFRP son indicados para aplicaciones navales y de telecomunicaciones. Aunque estas estructuras pueden no estar diseñadas como protecciones, son susceptibles de estar sometidas a diferentes tipos de impacto durante su vida útil. Dado que algunos elementos pueden ser críticos, se debe asegurar la seguridad y por lo tanto, los ingenieros necesitan un conocimiento más profundo del comportamiento frente a impacto. Es por ello que el desarrollo de modelos teóricos y de elementos finitos es una línea de investigación de interés que permite predecir factores de diseño críticos como el límite balístico. Esta tesis doctoral está enfocada en la modelización del fenómeno de impacto a alta velocidad a través de diferentes métodos para poder reproducir de la manera más fidedigna los efectos que tienen lugar durante un impacto a alta velocidad. Primero, se ha llevado a cabo un gran número de experimentos con el objetivo de obtener los datos necesarios para los modelos desarrollados. Se han realizado experimentos de caracterización mecánica para determinar las propiedades requeridas por los modelos. Además, se han llevado a cabo ensayos de impacto balístico en especímenes de 9 mm de espesor. Igualmente, se han realizado ensayos de inspección no destructiva (IND) para evaluar el área dañada del laminado después de impacto. Posteriormente, se presentan dos modelos teóricos no dimensionales basados en criterios energéticos para predecir el comportamiento balístico en laminados GFRP. Algunos grupos no dimensionales que son útiles para analizar el comportamiento y la validez de los modelos aparecen de forma natural al utilizar esta formulación. En la formulación se tienen en cuenta hipótesis basadas en fenómenos físicos. A continuación, se desarrolla un modelo de elementos finitos mediante un modelo constitutivo a través de un modelo de daño continuo para predecir el comportamiento de los laminados GFRP frente a impactos de alta velocidad. Además, los modos de fallo están formulados de tal forma que la energía disipada por cada uno de ellos se puede asociar a los mecanismos de absorción de energía definidos en los modelos teóricos. Por último, algunas de las nuevas hipótesis asumidas en los modelos teóricos se han validado con el modelo de elementos finitos. Los mecanismos de absorción de energía se comparan entre los modelos teóricos y el modelo de elementos finitos para extraer conclusiones esclarecedoras. Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial Presidente: Federico París Carballo.- Secretario: Sonia Sánchez Sáez.- Vocal: Ana Paula Betencourt Martins Amaro

Las estructuras de material compuesto gozan de unas propiedades mecánicas específicas excelentes; sin embargo, el daño producido por un impacto de baja velocidad puede suponer un importante decremento de la resistencia residual, incluso cuando dicho daño sea difícilmente detectable. Dicha reducción es especialmente importante frente a cargas de compresión; por ello, es necesario estudiar la respuesta de estructuras de material compuesto frente a este tipo de carga. Para conocer la resistencia residual de la estructura y, por lo tanto, su tolerancia al daño, se utilizan los ensayos de compresión después de impacto. En la literatura existen diferentes procedimientos para realizar este tipo de ensayos pero, en general, no son adecuados para ensayar laminados delgados de material compuesto. La presente Tesis Doctoral analiza el comportamiento frente a compresión después de impacto de laminados delgados. Para conseguir este cometido, se realizan ensayos experimentales y modelos numéricos, a través de los cuales se comprende mejor la naturaleza del problema, y se propone una nueva metodología que resuelve el problema de ensayo de laminados delgados. En primer lugar, se analiza el comportamiento a impacto de baja velocidad de laminados de material compuesto en función del espesor. Adicionalmente, se define la energía para la que se produce un daño al límite de la detectabilidad, por el peligro que supone este tipo de daño en la integridad de las estructuras. A continuación, se diseña un nuevo útil de compresión después de impacto para ensayar laminados delgados, consistente en un conjunto de elementos protuberantes que estabilizan la probeta. Esta solución de diseño se valida mediante la comparación de los resultados experimentales obtenidos mediante el útil desarrollado, con los obtenidos con la normativa estandarizada, para probetas como las permitidas por la norma, es decir, mayores de 4 mm. Una vez validada la nueva metodología, se valora su potencial para el análisis de laminados delgados y se estima su rango de aplicación, estudiando la carga crítica de pandeo en relación a la carga de rotura. Se logra disponer de un nuevo útil que proporciona resultados similares a los habituales para probetas normales mientras que, simultáneamente, mejora sustancialmente los resultados experimentales obtenidos para probetas delgadas. Finalmente, se analiza en detalle el comportamiento de la progresión de la delaminación en laminados dañados, realizando ensayos de compresión en probetas con defectos artificiales y utilizando modelos numéricos que consideran evolución de daño intralaminar e interlaminar. Para validar dichos modelos, se realiza un análisis de sensibilidad de diversos parámetros, y se comparan los resultados numéricos obtenidos con los resultados experimentales, obteniendo una buena correlación. Se consiguen modelos de bajo coste computacional para el estudio la evolución del daño y se verifica la coherencia en la forma de la progresión de la delaminación a compresión. Composite material structures have excellent specific mechanical properties. However, damage caused by a low velocity impact could imply a significant decrease in the residual strength, even if such damage is hardly detectable. Such decrease is particularly important under compression loads; as a result, it is necessary to study the response of composite material structures to this type of load. In order to know the residual strength of the structure and, therefore, its tolerance to damage, Compression After Impact (CAI) tests are used. In the literature there are different procedures for performing this type of tests but, in general, they are not suitable for testing thin laminates of composite material. This PhD Thesis analyses the Compression After Impact behaviour of thin laminates. For this purpose, experimental tests and numerical models are carried out. The nature of the problem is better understood through these studies, and a new methodology is proposed to solve the problem of testing thin laminates. Firstly, the low speed impact behaviour of composite laminates is analysed according to the thickness. Additionally, the energy that produces damage near to detectability limit is defined, because of the danger that this type of damage implies to the integrity of the structures. Afterwards, a new CAI device to test thin laminates is designed, consisting of a plurality of protruding elements that stabilize the specimen. This design solution is validated by comparing the experimental results obtained by the developed device, with those obtained with the standard one, for specimens allowed by the standard, that is, greater than 4 mm. Once the new methodology has been validated, its potential for the analysis of thin laminates is evaluated and its range of application is estimated, studying the critical buckling load in relation to the failure load. The aim of having a new device that provides similar results to the usual ones for normal specimens and, simultaneously, improving considerably the experimental results obtained for thin specimens, is achieved. Finally, the behaviour of delamination progression in damaged laminates is analysed in detail, performing compression tests on specimens with artificial defects and using numerical models that consider intralaminar and interlaminar damage evolution. To validate these models, a sensitivity analysis of several parameters is carried out, and the numerical results obtained are compared with the experimental results, finding a good correlation. Low computational cost models with damage evolution are accomplished and coherence in the way of delamination progression under compression load is verified. Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial Presidente: Jesús Cuartero Salafranca.- Secretario: Inés Iváñez del Pozo.- Vocal: Javier Toral Vázquez

La fractura dúctil es el principal mecanismo de fallo en aleaciones metálicas utilizadas en ingeniería y es primordial en los estudios de integridad estructural, junto con la corrosión y la fatiga. Debido a ello, la importancia de este modo de fallo ha provocado que ciertos procesos de ingeniería requieran en una mayor medida del conocimiento de los fenómenos de deformación y fractura de materiales dúctiles. Esta tesis doctoral se centra en el análisis y la modelización del proceso de fractura dúctil debido a la nucleación, crecimiento y coalescencia de microvacíos, con el fin de estudiar algunos de los factores que afectan a estos procesos y de mejorar los modelos constitutivos que describen estos fenómenos, teniendo en cuenta a su vez la influencia de la deformación plástica y la velocidad de deformación plástica en el material. En primer lugar, se propone un modelo constitutivo para materiales dúctiles viscoplásticos con huecos cilíndricos en su interior, donde se desarrollan funciones de plastificación analíticas que tienen en cuenta el proceso de crecimiento de microvacíos. Los resultados de esta linea de investigación se comparan con otros modelos de materiales porosos con dependencia de la velocidad de deformación. Por otro lado, se desarrolla una extensión del modelo Gurson-Tvergaard, para materiales sin dependencia con la velocidad de deformación, que añade el efecto de la triaxialidad y del parámetro de Lode a través de los parámetros de ajuste del modelo, utilizando simulaciones numéricas de modelos de celda unitaria tridimensionales con huecos esféricos para su implementación y posterior validación. Finalmente, se realiza un estudio sobre la interacción que se produce entre la localización macroscópica y la coalescencia de microvacíos en materiales viscoplásticos, dependiendo del estado tensional aplicado y del ángulo de orientación de la banda de localización, mediante el estudio de simulaciones numéricas en modelos de celda unitaria tridimensionales con huecos esféricos. Ductile fracture is the main failure mechanism in metal alloys used in engineering and is essential in studies of structural integrity, along with corrosion and fatigue. Due to this, the importance of this failure mechanism has caused that certain engineering processes require a deeper knowledge of the deformation and fracture phenomena in ductile materials. This doctoral thesis focuses on the analysis and modeling of ductile fracture process as a consequence of nucleation, growth and coalescence of microvoids in the material, in order to study some of the factors that affect these processes and to improve the constitutive models that describe these phenomena; taking into account the influence of plastic strain and plastic strain rate in the material. First of all, a constitutive model for viscoplastic ductile materials with cylindrical voids inside is proposed, where analytical macroscopic functions that take into account the growth process of microvoids are developed. The results of this research are compared with other porous materials models with dependence on strain rate. On the other hand, an extension of the Gurson-Tvergaard model for materials without dependence on strain rate is developed, which adds the effect of triaxiality and Lode parameter through the parameters of the model, using numerical simulations of three dimensional unit cell models with spherical voids for its implementation and subsequent validation. Finally, an analysis of the interplay that takes place between the macroscopic localization and coalescence of microvoids in viscoplastic materials is carried out, depending on the applied stress state and the orientation angle of the location band, by means of the study of numerical simulations of three-dimensional unit cell models with spherical voids. Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial Presidente: Francisco Javier Montans Leal.- Secretario: Covadonga Betegón Biempica.- Vocal: José Antonio Rodríguez Martínez

Mención Internacional en el título de doctor The objective of this dissertation is to develop a comprehensive theoretical approach to the role of the constitutive model on the dynamic radial deformations of nonlinear elastic structures. Using 1D and 2D models, cylindrical and spherical thick-walled shells are considered. These geometries are representative of man-made and natural structures that can be found in a wide variety of engineering applications and biological systems. Lead-rubber bearings, vibration isolators, peristaltic pumps, rubber bushings, saccular aneurysms or arteries are examples of nonlinear elastic structures with spherical and cylindrical geometries that are constantly subjected to all kinds of vibrational and dynamic loads. The research, which starts by considering isotropic, incompressible and rate independent constitutive models, is based on the systematic incorporation of compressibility, viscosity and anisotropy in the description of the mechanical response of the material. We investigate free and forced vibrations using different initial and boundary conditions: (1) ab initio elastic stored and kinetic energies, (2) constant radial pressures, (3) linearly time dependent radial pressures and (4) harmonic time dependent radial pressures. While the isotropic and incompressible 1D elastic structures subjected to constant pressure admit an analytical closed-form solution, all the other cases need to be solved numerically. To this end, we have developed in this work a number of specific numerical schemes. The overall outcome of this dissertation is to make it plain that the constitutive model used to describe the mechanical behavior of thick-walled shells plays a fundamental role in the nonlinear dynamics of such structures. In particular, we have demonstrated the influence of the constitutive model on: (1) the loss of oscillatory behavior of the structure, (2) the transition from periodic motions to quasi-periodic and chaotic motions, (3) the nonlinear resonances of the shells, (4) the propagation of shock waves within the structure and (5) the onset and development of cavitation instabilities. Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial Presidente: Ignacio Romero Olleros.- Secretario: Massimo Ruzzene.- Vocal: Antonio Morassi

Mención Internacional en el título de doctor La tela de araña orbicular es una estructura ligera, capaz de detener presas aéreas cuyas masas son muy superiores a la de ésta. Además, la tela es renovada constantemente por la araña en ciclos que duran habitualmente un día, lo que permite que este animal adapte las características geométricas y resistentes a las condiciones externas cambiantes con objeto de mejorar la funcionalidad de la tela y, por tanto, favorecer su propia supervivencia. En la presente tesis se estudian las relaciones existentes entre tipo estructural y función biológica en la tela de araña orbicular, empleando una aproximación metodológica fundamentada en la Mecánica de Sólidos. Para ello se han desarrollado modelos numéricos y analíticos, y se han utilizado así mismo los resultados experimentales recabados por el autor de la tesis durante su estancia predoctoral en el Oxford Silk Group. Durante el desarrollo de los modelos se ha prestado especial atención a la consideración de los efectos más relevantes presentes en el comportamiento dinámico de las telas de araña: geometría, comportamiento mecánico de la seda, fuerza aerodinámica, o pretensión en los hilos de seda. Así mismo, se han modelado las solicitaciones de mayor relevancia a las que se ve sometida la tela de araña: impacto y viento, que desafían su resistencia estructural, y vibraciones, utilizadas por la araña como sistema de ecolocalización. El uso de modelos ha permitido realizar estudios paramétricos, que han contribuido a clarificar el papel que aspectos tales como las fuerzas aerodinámicas, la presencia de hilos en zonas específicas, la pretensión o las propiedades del hilo de seda, juegan en el comportamiento de la tela de araña como estructura y, por tanto, en el desempeño de su función biológica. Los resultados de la tesis presentan valor tanto en el ámbito de la biología, dado que aportan nuevas claves sobre el comportamiento mecánico y la evolución de las telas orbiculares, como en el ámbito de la ingeniería, en tanto que permiten aprovechar su evolución experimentada a lo largo de cientos de millones de años para el diseño de nuevas estructuras bio-inspiradas. The orbicular spider web is a lightweight structure capable of arresting aerial prey with masses several orders of magnitude higher than that of the web itself. Moreover, the web is constantly rebuilt by the spider, typically in daily cycles, which allows this animal to tailor the geometric and mechanical characteristics to the evolving external conditions. This permits to improve the functionallity of the web and to favor the survivality of the spider. The present thesis studies the relation between the structural typology and the biological function in spider orbicular webs, using a methodological approach based on Solid Mechanics. To that aim numerical and analytical models have been developed. The experimental results collected by the autor of the thesis during his stay in the Oxford Silk Group have been also used. For the deveolpment of the models, particular attention has been paid to consider the most relevant effects playing a role in the dynamic response of spider orb-webs: geometry, mechanical behaviour of the silk, aerodynamic drag, or thread pre-stress. Likewise, the most important solicitations acting on the web have been accounted: prey impact and wind, which challenge the structural strength, and vibrations, used by the spider to identify the position of the excitation source. The usage of models permitted to perform parametric analyses, that contributed to clarify the role played in the structural response of the web by aspects such as aerodynamic force, presence of threads in specific positions, pre-stresses, or silk mechanical properties. The results presented in the thesis are valuable both in the biological field, given that they provide a new insight in the mechanical behaviour and evolution of spider webs, and in the engineering field, since the permit to take advantage of hundreds of millions of years of evolution for the design of new bio-inspired structures. Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial Presidente: José Fernández Sáez.- Secretario: Jesús Manuel Alegre Calderón.- Vocal: Filipe Teixeira-Dias

En el presente trabajo se ha estudiado numéricamente el comportamiento de polímeros frágiles a fractura. Se ha realizado empleando la herramienta de cálculo por elementos finitos ABAQUS. Se busca estudiar el comportamiento a fractura en modelos de dos y tres dimensiones, en ambos casos bajo los modelos de Celda de Broberg [1]. El material de estudio es el polímero frágil HOMALITE-100. Partiendo del trabajo de J. A Loya y K. Ravi-Chandar [2] se busca continuar en el estudio del comportamiento a fractura de polímeros frágiles. Se busca obtener, por medio de métodos numéricos, la respuesta del HOMALITE-100 a efectos de propagación de fractura según el modo I. Todo el trabajo está basado en [1] y se aplican en un polímero de comportamiento frágil, lo que excluye de este trabajo comportamiento plástico. Se parte de modelos Shell de dos dimensiones y malla de elementos de 4 nodos y se pasa a modelos de sólidos en tren dimensiones y elementos de 8 nodos. Los modelos de simulación están apoyados por una subrutina de usuario que define el comportamiento según los modelos de celda; cuando un elemento se deforma por la acción del campo de tensiones, las imperfecciones internas que posee se expanden y se puede suponer que provocan una disminución de la densidad del elemento, esto modifica el comportamiento a tensión original a través de la variación de sus propiedades mecánicas. Máster Universitario en Mecánica Industrial

In this doctoral Thesis the thermo-viscoplastic behaviour of metallic alloys used for structural protection purposes has been analyzed. The study includes the proposition of advanced constitutive relations and their integration into numerical models. These numerical models are validated for impact problems within the low-intermediate range of impact velocities (until 85 m/s). The advanced constitutive relations derived are based on the Rusinek-Klepaczko model whose validity is extended to metallic alloys showing dependence on plastic strain on the volume thermally activated. In addition the constitutive relations developped allow describing macroscopically viscous drag effects at high strain rates, negative strain rate sensitivity and martensitic transformation phenomena. Implementation of previous constitutive relations has been conducted into the FE code ABAQUS/Explicit. Thus, development of numerical models for the simulation of ring expansion test and conventional dynamic tension test has allowed analyzing the formation of plastic instabilities. In this analysis the effects of strain rate sensitivity, strain hardening and plastic wave propagation have been considered. Finally, it has been examined the impact behaviour of metallic alloys widely used for structural protection purposes: the mild steel ES, the aluminium alloy 2024-T3, the steel AISI 304 and the steel TRIP 1000. For that goal conventional characterization tests as well as impact tests have been conducted. Numerical models based on the constitutive relations derived have been developped in order to simulate the impact tests. These numerical models offered a suitable description of the perforation process in terms of ballistic limit and the associated failure mode of the target.----------------------------------------------------------------- En esta tesis doctoral se ha analizado el comportamiento termo-viscoplástico de aleaciones metálicas de aplicación en la protección frente a impacto. El estudio incluye la proposición de ecuaciones constitutivas avanzadas, su implementación en modelos numéricos y la validación de los mismos con aplicación en problemas de impacto en el rango de velocidades bajo-medio (hasta 85 m/s). Las ecuaciones constitutivas avanzadas que se plantean toman como base la ley de endurecimiento de Rusinek-Klepaczko y extiende su validez a metales que presentan sensibilidad a la velocidad de deformación dependiente de la deformación plástica. Las ecuaciones constitutivas consideradas permiten describir macroscópicamente los efectos viscosos a altas velocidades de deformación, la sensibilidad negativa a la velocidad de deformación y los fenómenos de transformación martensítica. La implementación de las ecuaciones constitutivas anteriores se ha llevado a cabo en el código de elementos finitos ABAQUS/Explicit. Así, el desarrollo de modelos numéricos para las configuraciones del ensayo convencional de tracción dinámica y del ensayo de expansión de anillo ha permitido analizar las causas que residen detrás de la formación de inestabilidades plásticas. En el análisis se ha considerado la influencia de la sensibilidad a la velocidad de deformación, el endurecimiento por deformación y el efecto de la propagación de ondas. Finalmente se ha examinado el comportamiento frente a impacto de metales de amplia aplicación como estructuras de protección: el acero suave ES, la aleación de aluminio 2024-T3, el acero AISI 304 y el acero TRIP 1000. Para ello, se han llevado a cabo ensayos experimentales de caracterización mecánica convencional y ensayos experimentales de impacto mediante proyectil indeformable. La utilización de modelos numéricos que implementan las ecuaciones constitutivas desarrolladas proporciona una adecuada descripción del proceso de impacto en términos del límite de velocidad de perforación y del modo de fallo asociado.

La expresión analítica de la ley de endurecimiento por deformación de un metal o aleación metálica incluye parámetros cuyos valores han de ser determinados para cada material. Estos parámetros se obtienen, generalmente, mediante ajuste a la gráfica tensión‐deformación discreta obtenida en ensayos de compresión y tracción uniaxial o torsión. En los ensayos dinámicos, debido a la elevada velocidad de deformación que se alcanza, el proceso de deformación del material pueda considerarse adiabático. El incremento de temperatura en el material puede entonces calcularse a partir del trabajo plástico, resultando una expresión que incluye como variables los parámetros de la ley de endurecimiento. Por otro lado, el calor generado en la probeta durante el ensayo puede también estimarse midiendo en la superficie de ésta el incremento de temperatura mediante la técnica de termografía infrarroja. Se ha establecido una metodología de ensayos de compresión cuasiestática y dinámica de materiales metálicos, con medición simultanea del incremento térmico asociado a la deformación plástica. Como base de la metodología se ha diseñado y puesto a punto un sistema de ensayo constituido por una cámara de ensayo, una cámara oscura, un sistema de sincronismo y otros sistemas de medición acoplables a las máquinas de ensayo mecánico. Como aplicación de esta metodología de ensayo se ha desarrollado un procedimiento alternativo para la determinación de los parámetros de una ley de endurecimiento mediante mediciones del incremento térmico en ensayos en barra de Hopkinson de compresión. El procedimiento se ha aplicado a la estimación de los coeficientes de la ley de Johnson‐Cook para la aleación de Aluminio (Al 6082).La expresión analítica de la ley de endurecimiento por deformación de un metal o aleación metálica incluye parámetros cuyos valores han de ser determinados para cada material. Estos parámetros se obtienen, generalmente, mediante ajuste a la gráfica tensión‐deformación discreta obtenida en ensayos de compresión y tracción uniaxial o torsión. En los ensayos dinámicos, debido a la elevada velocidad de deformación que se alcanza, el proceso de deformación del material pueda considerarse adiabático. El incremento de temperatura en el material puede entonces calcularse a partir del trabajo plástico, resultando una expresión que incluye como variables los parámetros de la ley de endurecimiento. Por otro lado, el calor generado en la probeta durante el ensayo puede también estimarse midiendo en la superficie de ésta el incremento de temperatura mediante la técnica de termografía infrarroja. Se ha establecido una metodología de ensayos de compresión cuasiestática y dinámica de materiales metálicos, con medición simultanea del incremento térmico asociado a la deformación plástica. Como base de la metodología se ha diseñado y puesto a punto un sistema de ensayo constituido por una cámara de ensayo, una cámara oscura, un sistema de sincronismo y otros sistemas de medición acoplables a las máquinas de ensayo mecánico. Como aplicación de esta metodología de ensayo se ha desarrollado un procedimiento alternativo para la determinación de los parámetros de una ley de endurecimiento mediante mediciones del incremento térmico en ensayos en barra de Hopkinson de compresión. El procedimiento se ha aplicado a la estimación de los coeficientes de la ley de Johnson‐Cook para la aleación de Aluminio (Al 6082). _____________________________________________, The analytical expression of the hardening law usually includes parameters which values must be determined for each material. These parameters are generally obtained by adjustment to the stress‐strain relation obtained in a compressive and tensile uniaxial or torsion tests. In dynamic tests due to the reached high deformation velocity, the deformation process can be considered like adiabatic. The material temperature increase can be calculated from the plastic work obtaining an expression that includes the parameters of hardening law as variables. By other way, the heat generated in the material during the test can be estimated by measuring the temperature increase of specimen surface during compressive tests using the technique of infrared thermography. A methodology for metallic specimens testing in universal compression machine (quasi‐static tests) or Hopkinson bar (dynamic tests) with simultaneous measurement of temperature increment was established. The base of this methodology is a test system including a test camera, a dark camera, a synchronism system and several measurement systems joined to the mechanic tests machines. As application of this methodology an alternative procedure for determining the hardening law parameters by measurement of the temperature increase in compressive Hopkinson bar tests was developed. The procedure was applied to estimate the parameters of the Johnson‐Cook law of an aluminium alloy (Al 6082).

Gran parte de las infraestructuras del transporte precisan de estructuras tipo túnel, como por ejemplo en las grandes ciudades, donde la escasez de espacio las hace indispensables o cuando se quieren salvar obstáculos naturales como cadenas montañosas o el mar. Además, en este tipo de infraestructuras, hay una cierta tendencia hacia la configuración de doble túnel más que a uno único de grandes dimensiones. Sin embargo, en el diseño y posible revestimiento de un túnel, suelen tenerse en cuenta, principalmente, las cargas estáticas que actúan y, de una forma mucho más aproximada, las acciones sísmicas que, en algunos casos, pueden resultar sumamente importantes pues pueden producir colapsos inesperados en el túnel, cobrándose así vidas humanas. Por ello, en este trabajo de Tesis Doctoral, haciendo uso de modelos analíticos y de herramientas numéricas, se han estimado las tensiones inducidas en el revestimiento monolítico de un túnel de geometría circular ante un evento sísmico desarrollando, así mismo, modelos numéricos para la estimación del efecto de interacción sísmica entre un par de túneles gemelos. Por tanto, mediante el uso de herramientas numéricas (Elementos Finitos y Diferencias Finitas), y de modelos analíticos, se ha avanzado en el estado de los conocimientos actuales en los siguientes campos del cálculo sísmico en túneles: Estudio transversal (deformación plana): con la puesta a punto de códigos numéricos existentes, y con el desarrollo de uno propio de Elementos Finitos (ESES), se ha demostrado y contabilizado la interacción sísmica perjudicial, en lo que se refiere a esfuerzos generados en los revestimientos de los túneles gemelos. Del mismo modo se han comparado los resultados de los modelos analíticos (planteados para un túnel aislado), con los resultados numéricos, dando recomendaciones en cuanto al uso de aquéllos. · Estudio 3-D numérico del problema: demostrada la importancia de la interacción sísmica entre túneles gemelos, se ha realizado un estudio 3-D, excitando los modelos con ondas sísmicas con frente paralelo y no paralelo a los ejes de los túneles, concluyéndose que la situación más crítica se produce cuando dicho frente es paralelo (estudio transversal) a dichos ejes. También se han efectuado estudios del efecto de la fricción-cohesión-contacto-separación entre el suelo circundante y el revestimiento del túnel, concluyéndose que este fenómeno influye considerablemente en las tensiones que se generan en los revestimientos de los túneles, así como en la interacción sísmica. ____________________________________________, There are a wide range of transport facilities that need tunnel structures, mainly in big cities, where space make them indispensable or when a natural obstacle has to be overcome like mountain ranges or sea. Also, in this type of transport facilities there is a certain tendency toward twin tunnel layout more than a single big one. However, in the design and possible tunnel lining, it is normally taken into account the static loads which act on it and, in a much more simplified way the seismic loads. Nevertheless, the seismic load study is vital to avoid unexpected tunnel collapses, which can generate a high number of deaths. For this reason, in this PhD Thesis, analytical models and numerical tools have been used to estimate induced stresses in circular monolitic tunnel lining when a seismic event happens. In this way, numerical models have been developed for the seismic interaction effect between a set of twin tunnels. Due to the fact that numerical (Finite Elements and Finite Differences), and analytical models are used, an advance has been done in the knowledge of the following fields in seismic calculation of tunnels: · Transverse study (plane strain): the set up of some existing numerical codes, and the develop of a new one of Finite Elements (ESES), have demonstrated and counted damaging seismic interaction, related to efforts generated in the twin tunnel linings. In the same way, a comparison between results of analytical models (for a single tunnel), with numerical ones have been done, and recommendations for the use of the first ones have been given. 3-D numerical study of the problem: once the importance of seismic interaction between twin tunnels has been demonstrated, a 3-D study has been done, applying seismic waves to the models with parallel and non-parallel front to the tunnel axes. The conclusion is that the most adverse situation happens when the front wave is parallel (transverse study) to the tunnel axes. Also, several studies including friction-cohesion-contact-separation phenomena between soil and tunnel lining have been carried out, concluding that these phenomena influences stresses generated in the tunnel linings, and seismic interaction.

En esta tesis se han abordado algunos problemas de simulación numérica del comportamiento de materiales cuyos micromecanismos de fractura están regidos por la nucleación, crecimiento y coalescencia de microvacíos. Este tipo de fenómenos aparecen en muchas aplicaciones de ingeniería como son los procesos de fabricación por conformado y corte, el análisis del comportamiento frente a choque de estructuras de vehículos ligeros (automóviles, helicópteros), la predicción de la propagación de fisuras en paneles de pequeñoo espesor, típicos en la industria aeronáutica, el diseño de protecciones contra impacto balístico, entre otros. En particular, se ha propuesto un algoritmo consistente para integrar las ecuaciones constitutivas de materiales de Gurson aplicable a problemas termoviscoplásticos, teniendo en cuenta la influencia de la velocidad de deformación y la temperatura en el comportamiento. También se ha formulado una variante del modelo de Gurson considerando que algunos parámetros del mismo no son constantes, sino dependientes de la triaxialidad del campo tensional. Se ha desarrollado el correspondiente algoritmo de integración de las ecuaciones de este modelo modificado y, en este caso, se ha aplicado a problemas estáticos. Finalmente, se ha aplicado el modelo de Gurson para analizar la influencia de la porosidad inicial en las inestabilidades por cavitación en metales dúctiles. Los algoritmos desarrollados se han implementado en códigos comerciales de elementos finitos, se ha comprobado su funcionamiento y se han validado con resultados experimentales ___________________________________________, In this thesis, some problems about numerical simulation of the mechanical behaviour of materials whose fracture mechanisms are related to the nucleation, growth and coalescence of voids have been analized. This kind of analysis must be performed in many engineering applications like metal forming and cutting, light vehicles structures (automobiles, helicopters) under crashing, crack growth in thin panels, typical in the aircraft industry, high-speed impact on metallic armours and others. In particular, a consistent integration algorithm of Gurson's constitutive equations considering strain rate and thermal effects has been developed. Also, a modified GTN model that considers that some parameters of the model are no constant but dependent of stress state has been formulated. Finally, the influence of the porosity on cavitation instabilities in metallic materials has been analyzed. In previous work, this kind of instabilities has been predicted considering only one void contained in an unbounded solid. The developed algorithms have been implemented in a Finite Element commercial code and they have been validated with experimental results

Se ha desarrollado una nueva herramienta para el diseño de protecciones ligeras cerámica-metal frente a impacto de alta velocidad basada en Redes Neuronales Artificiales. La herramienta predice, en tiempo real, el comportamiento de la protección frente a un impacto de alta velocidad, determinando si se produce la parada del cuerpo impactador o la perforación de la protección, y en ese caso, la velocidad y la masa residuales del cuerpo. Para el entrenamiento y verifiación de la Red Neuronal se ha generado, mediante simulación numérica, un amplio conjunto de casos de impacto abarcando diferentes geométricas y materiales del cuerpo impactador y de la protección y diferentes velocidades de impacto, dentro del rango habitual de variación de estas variables en los problemas de impacto de alta velocidad. Para la simulación del comportamiento frente a impacto de la cerámica se han modificado las ecuaciones constitutivas del modelo de Cortés et al. y se han implementado éstas, junto con un algoritmo de integración desarrollado a tal efecto, en un código comercial de simulación numérica. Posteriormente se han ajustado los parámetros del modelo para diferentes materiales cerámicos y por último se ha validado éste, junto con el algoritmo de integración y el modelo de elementos finitos, para un amplio rango de energías de impacto. La Red Neuronal desarrollada ha mostrado una muy notable capacidad de predicción del comportamiento de protecciones ligeras frente a impacto, por lo que su uso puede constituir una alternativa para el diseño de estos sistemas. ____________________________________________, A new tool based on Artificial Neural Networks (ANNs) has been developed for the design of lightweight ceramic-metal armors against high velocity impact of solids. The developed tool predicts, in real-time, the response of the armor: impact body arrest or target perforation are determined and, in the last case, the residual mass and velocity of the impacting body are obtained. A large set of impact cases has been generated, by numerical simulation, in order to train and test the ANN. The impact cases consider different impacting body and target geometries, materials and impact velocities, all these parameters varying in a wide range that covers common impact situations. In order to simulate the behavior of the ceramic material under impact, the constitutive model proposed by Cortés et al. has been modified and a new algorithm to integrate it has been developed and implemented in a finite element code. The parameters of the material model have been determined by inverse analysis for different ceramic materials and finally, the modified constitutive model, its integration algorithm and the finite element model have been validated for a large range of impact energies. The ANN developed has shown a remarkable prediction ability of the impact behavior of lightweight ceramic-metal armors and therefore it could be an alternative to the conventional design methodologies.