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En este trabajo se presenta un modelo constitutivo elastoplástico anisótropo generalizado en deformaciones finitas para el análisis de materiales compuestos multifase utilizando el método de los elementos finitos. En la modelización del material compuesto se utiliza la teoría de mezclas en la cual se inserta el modelo constitutivo elastoplástico propuesto. El comportamiento elástico de un sólido anisótropo se simula con la teoría de la elasticidad clásica, mientras que el comportamiento no proporcional de un sólido anisótropo se simula mediante un modelo elastroplástico anisótropo en régimen de grandes deformaciones basado en una formulación isótropa equivalente. Este modelo asume la existencia de un espacio real anisótropo y de un espacio ficticio isótropo, en el cual se resuelve un problema ficticio. Ambos espacios están relacionados a través de una transformación lineal utilizando un tensor de cuarto orden que contiene la información del material real. Por último se presenta los detalles de la implementación numérica del modelo propuesto en un código de elementos finitos y ejemplos de aplicación del modelo al análisis del comportamiento lineal y no-lineal de materiales compuestos. &nbsp

Los disipadores de energía son elementos pasivos que se incorporan a edificios y a otras construcciones que, pueden estar sometidas a acciones dinámicas, especialmente movimientos sísmicos. Su finalidad es absorber la mayor parte de la energía introducida en la estructura por la excitación, protegiendo de esta manera la estructura principal. Estos dispositivos son relativamente ajenos a la estructura, en el sentido que no participan en la resistencia a cargas verticales, y, por tanto, son fácilmente reemplazadas después de sufrir daños importantes. Se conectan a la estructura a proteger de forma que cuando ésta sufre la acción del terremoto, se generan deformaciones importantes en los disipadores produciéndose de esta manera la absorción de energía. En estructuras de edificación, los disipadores se colocan en pórticos; habitualmente en barras de arriostramiento concéntrico entre plantas, (generalmente diagonales o en V invertida) ya que, al producirse desplazamientos relativos entre plantas (“interstory drift”), aparecen deformaciones apreciables en estos elementos. Se han propuesto distintos tipos de disipadores para estructuras de edificación. Los basados en plastificación de metales, conocidos habitualmente como histeréticos, destacan por su sencillez, economía y robustez; de entre éstos las denominadas barras de pandeo restringido han conocido un notable desarrollo por poseer ventajas relevantes. Básicamente son barras concéntricas de arriostramiento, constituidas por un núcleo delgado de acero que se rodea de un revestimiento, generalmente de mortero y/o acero. Es de vital importancia que exista un interfaz, entre el núcleo y el revestimiento, que permita el deslizamiento entre ambos para evitar que parte de las estensiones del núcleo se plastifica, ya que el revestimiento impide su pandeo; estos ciclos de plastificación por tracción y compresión cosntituyen los lazos de histéresis a través de los cuales se disipa energía. A pesar de la notable experiencia, tanto a nivel de investigación como de aplicaciones prácticas, que existe sobre las barras de pandeo restringido, aún quedan numerosos interrogantes abiertos. En particular, no han sido propuesto ningún modelo numérico que simule con exactitud y fiabilidad su comportamiento estructural, ya que, éste es notablemente complejo, debido al trabo conjunto y multiaxial de distintos materiales (acero del núcleo,mortero y acero del revestimiento). Esta ausencia impide comprender a fondo los fenómenos complejos que suceden durante la operación de estos elementos, y dificulta el desarrollo de soluciones innovadora, ya que no es posible conocer con exactitud su comportamiento de barras de pandeo restringido formadas por un núcleo de acero, un interfaz deslizante y un revestimiento de mortero eventualmente rodeado por una funda exterior de acero. En el modelo numérico propuesto, el acero tiene un comportamiento elastoplástico con endurecimiento cinemático isótropo. Para el mortero que le rodea se han desarrollado u modelo isótropo de daño. La parte de acero del revestimiento (funda) se homogeneiza al mortero. La interfaz entre el núcleo de acero puede penetrar en el mortero. En el presente trabajo, estos modelos se implementan en subrutinas del programa Abaqus/Explicit, permitiendo comprobar el funcionamiento del modelo que se propone. Los resultados obtenidos, con este modelo numérico, se compararon con los resultados experimentales obtenidos en la Universidad de Girona y en la Universidad de California.

La respuesta mecánica de los materiales compuestos depende del comportamiento de los materiales componentes y de su micro‐estructura. Para mejorar y optimizar el diseño de piezas estructurales de materiales compuestos, la industria requiere herramientas informáticas que reproduzcan de manera apropiada el comportamiento de estos materiales incluso en el rango no lineal. Por tanto, es muy importante la investigación y desarrollo de modelos numéricos para compuestos que tengan en cuenta la morfología o estructura del material de forma adecuada y eficiente, además de ser necesario contar con un entorno gráfico específico para este tipo de problemas que facilite la entrada de datos al código de cálculo y posteriormente permita visualizar los resultados deseados. El objetivo principal del presente trabajo es el desarrollo, formulación e implementación computacional, de un modelo numérico para el tratamiento de la no linealidad constitutiva de laminados reforzados con fibras, en el contexto de la mecánica de los medios continuos. Esta formulación plantea combinar (o componer) los comportamientos de materiales simples (homogéneos) con el objetivo de obtener la respuesta mecánica del material compuesto (heterogéneo). Para ello, propone una gestión adecuada de los modelos constitutivos (homogéneos), actualmente disponibles, de cada uno de los materiales componentes; aprovechándose de esta manera el gran desarrollo conseguido en el campo de la modelización constitutiva de materiales simples, y permitiendo la transferencia de toda esta tecnología al campo de los materiales compuestos. Teniendo en cuenta la estructura interna del material compuesto, se desarrolla una estrategia de desacoplamiento e interacción de estas fases; de una manera novedosa. Esta metodología, denominada “composición de comportamientos”, permite tener en cuenta muchos fenómenos locales de degradación que tienen lugar en las fases componentes, tales como plasticidad, daño, fatiga, envejecimiento, fluencia, etc., de una manera acoplada, lo cual también es novedoso en este tipo de enfoque. Las aplicaciones del presente trabajo se centran en los tres primeros fenómenos mencionados, dado que su combinación permite simular el comportamiento de una extensa variedad de materiales compuestos empleados en la industria. Se desarrolla el algoritmo de resolución del modelo propuesto que permite conseguir convergencia cuadrática, tanto local como global, de los problemas no‐ lineales al ser implementado como modelo constitutivo en un código de elementos finitos, proveyendo rapidez y precisión al análisis de estructuras de materiales compuestos en muchas aplicaciones industriales. La simulación del laminado se logra mediante la combinación del modelo propuesto con una teoría de laminado aplicada en cada punto de integración. Se emplean elementos 3D sólidos isoparamétricos para discretizar estructuras laminadas gruesas; mientras que para estudiar estructuras laminares de pequeño espesor, se desarrolla un elemento de lámina laminado en capas de material compuesto, sobre la base de un elemento de lámina más simple (Discrete Kirchoff Triangle). La validación del modelo muestra el cumplimiento de las ecuaciones de cierre (equilibrio de tensiones y compatibilidad de deformaciones entre componentes), tanto en la dirección de las fibras (comportamiento en paralelo) como en direcciones ortogonales (comportamiento en serie). Además, se ilustran diversas envolventes de fallo para lámina/laminados generadas con el modelo propuesto y se las compara con otros criterios de fallo global para compuestos y resultados experimentales disponibles en la literatura. La aplicabilidad del modelo se demuestra mediante simulaciones numéricas realizadas sobre geometrías de mayor complejidad para modelar la respuesta mecánica de piezas industriales. Los resultados numéricos contrastados con los experimentales indican la capacidad del modelo propuesto para describir el comportamiento no‐lineal de laminados reforzados con fibras en diferentes orientaciones sometidos a estados de carga multiaxial tanto estática como cíclica.

En el presente trabajo se desarrolla un nuevo modelo constitutivo, basado en la mecánica de medios continuos, que permite modelar el comportamiento a fatiga isotérmica bajo cargas periódicas. Este modelo permite tratar en forma conjunta fenómenos acoplados, tales como la combinación de fatiga con daño, plasticidad, fenómenos viscosos y temperatura. Se presenta una formulación basada en la teoría de la plasticidad y daño y se establecen las modificaciones necesarias a realizar en estas teorías, para garantizar la inclusión del fenómeno de fatiga. El estudio de la fatiga ha sido tema de continuos trabajos de investigación en los últimos setenta años. Esto ha echado luz sobre esta disciplina, generando una cantidad de publicaciones y teorías de distinta importancia. A pesar del gran volumen de trabajo que ha realizado la ingeniería sobre este tema, se encuentran aun grandes lagunas en cuanto a la simulación numérica del mismo y a la predicción de vida útil en las piezas. Sobre este último tema pocas teorías han acertado y por lo tanto no hay caminos claros para garantizar aciertos en este tema. Basado en el estado actual del tema, se ha querido en este trabajo avanzar en la dirección de la predicción de vida útil y utilizar las herramientas de la mecánica de medios continuos para garantizar la concreción de las ideas. Otra motivación del desarrollo de este trabajo se asienta en la peligrosidad que involucra la falta de conocimientos para la realización de la predicción de vida útil de las piezas. Las roturas por fatiga son especialmente peligrosas por que no suelen presentar indicios de fallo inminente, sino que este se produce de modo repentino y sin observar deformaciones plásticas de conjunto. Se trata pues de roturas frágiles que se caracterizan por presentar zonas bien diferenciadas, una de textura lisa con muestra de rotura dúctil y otra de textura gruesa rugosa más brillante que es donde se localiza la rotura final al rebasar la resistencia máxima disminuida por el fenómeno de fatiga. Hay que recordar que normalmente la fatiga no sobreviene sola y que siempre está acompañada de otros efectos mecánicos que en un principio pueden parecer secundarios, pero al final se tornan determinantes en la vida de las piezas. En la esperanza de abrir un camino para el tratamiento de este fenómeno desde la mecánica de medios continuos, es que se desarrolla el presente trabajo.