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International audience; Additive manufacturing (AM) technologies have been applied with success in many applications, being fused deposition modelling (FDM) the most widely used AM technique for fabricating thermoplastic pieces. The thermoplastic parts made by FDM present lack of strength and low stiffness, as required for fully functional and load-bearing parts. Due to this restriction, a new technology to reinforce with fibres the thermoplastic filaments was developed in the last years. Continuous fibre reinforced thermoplastic composites (CFRTPC) printers are taking this technology to a whole new level in terms of efficient production and mechanical properties. Static mechanical properties, as well as fatigue behaviour, were studied since in these types of loads a wide range of engineering dynamic applications can be envisaged. Tensile tests were performed to characterise the static mechanical properties. Fatigue tests were done to analyse the durability behaviour of the FDM composite materials, and the fracture surface was analysed by SEM microscopy. The results showed that carbon fibre isotropic layers had the higher ultimate tensile stress, with 165 MPa. From fatigue tests, stress vs. number of cycles curves (S vs Nf) in the temporary life zone were obtained. It is observed from the results that specimens with nylon matrix, triangular filling pattern and matrix density of 20%, reinforced with carbon fibre at 0-degrees, showed better

International audience; Composite pipes are replacing conventional steel pipes in oil and gas transport applications. Their strength is determined by specific failure criteria for composite materials, however, once the damage has initiated there exists an interest in knowing how it propagates or evolves in order to determine the remaining life of a pipe. After damage initiation, mechanisms like micro cracking, fiber rupture, fiber-matrix debonding and delamination can occur [1]. Continuum damage mechanics is a phenomenological theory for taking into account these mechanisms in the effects of the mechanical material behavior [2]. Currently, it exists a variety of damage models for composites laminates [3]. Ferry et al. [4] have proposed an anisotropic damage model for pipes with good agreement with experimental data. Other models are also developed or implemented for composite pipes for example in [5]. Solution of these models are indeed not very easy and usually an implementation in a FEA (Finite Element Analysis) code is needed. A common numerical method to solve for these equations is the return mapping algorithm. In this work, we study the numerical methods available for the solution of damage evolution in composite laminates by the application of an industrial example: composite pipes.

International audience; Composite pipes are replacing conventional steel pipes in oil and gas transport applications [1], [2]. Their strength is determined by specific failure criteria for composite materials, however, once the damage has initiated there exists an interest in knowing how it propagates or evolves in order to determine the remaining life of a pipe. After damage initiation, mechanisms like micro cracking, fiber rupture, fiber-matrix debonding and delamination can occur [3], [4]. Continuum damage mechanics is a phenomenological theory for taking into account these mechanisms in the effects of the mechanical material behavior [5]. Currently, it exists a variety of damage models for composites laminates [6]–[8]. Ferry et al. [9] have proposed an anisotropic damage model for pipes with good agreement with experimental data. Other models are also developed or implemented for composite pipes in [10], [11]. Solution of these models are indeed not very easy and usually an implementation in a FEA (Finite Element Analysis) code is needed. A common numerical method to solve for these equations is the return mapping algorithm [12] In this work, we study the numerical methods available for the solution of damage evolution in composite laminates by the application of an industrial example: composite pipes.

XI CONGRESO COLOMBIANO DE MÉTODOS NUMÉRICOSXI-CCMN 2017, agosto 16-18, 2017, UIS Bucaramanga, Colombia; Los materiales compuestos exhiben numerosas formas de mecanismos de daño [1] entre los que se encuentran rotura de fibras, delaminación, grietas en la matriz, decohesión de la interfaz fibra-matriz, etc. En la actualidad se tienen dos enfoques para lidiar con el daño y su influencia en la respuesta mecánica de la estructura, dependiendo de la escala: microdaño y el macrodaño (también llamado mecánica del daño continuo) [2]. El presente trabajo es una revisión de los dos métodos numéricos para el modelamiento del daño y su conveniencia para la aplicación en tuberías multicapa de fibra de vidrio con matriz epóxica. El microdaño se basa en la micromecánica, donde se usa un elemento de volumen representativo (RVE) [3] para después homogenizar la respuesta de ese elemento y tratar la estructura como un continuo. La micromecánica tiene la ventaja de que es posible obtener la respuesta de cualquier estructura en forma numérica, basada únicamente en los parámetros de los constituyentes individuales. Su desventaja es que es difícil simular la distribución aleatoria de las propiedades y de la geometría en el RVE. La mecánica del daño continuo consiste en tratar el daño en función de variables de estado continuas como el daño, la plasticidad y las fuerzas termodinámicas asociadas [4]. Requiere de parámetros de iniciación y evolución de daño. Su ventaja es que trabaja con valores obtenidos experimentalmente, lo que produce resultados cercanos a la realidad. Sin embargo, dependiendo del modelo, no se pueden tener en cuenta todos los mecanismos de daño y la obtención de parámetros se dificulta en los modelos más exactos, debido a su número. Finalmente se presenta el análisis del daño en una tubería multicapa usando la formulación de mecánica del daño continuo, formulación escogida debido a la facilidad de implementación en el software de elementos finitos y su madurez respecto a los modelos establecidos [5]–[7]

International audience; In this work, we study the influence of the boundary conditions in the stress distribution, the first ply failure and damage progression by an instant stiffness reduction model, of a commercially available multilayer composite pipe using ANSYS composite prepost module. The pipe was modelled first using a multibody contact model but it was reduced by using a one body, multilayer finite element model, which reduced the solution time considerably. An ASTM D2290 standard test was performed to determine the ultimate tensile strength and burst pressure. Also, a tension test performed on a longitudinal strip of the pipe was used to evaluate the elasticity modulus. We compare the experimental results with the numerical model to validate the material model used in the approximation. Hoop and axial stresses were obtained for three different boundary conditions: open ends, fixed ends and closed ends. Diverse failure criteria were considered for the pipes to evaluate the first ply failure, and a comparison of failure criteria and boundary conditions was made.

XI CONGRESO COLOMBIANO DE MÉTODOS NUMÉRICOSXI-CCMN 2017, agosto 16-18, 2017, UIS Bucaramanga, Colombia; Los materiales compuestos exhiben numerosas formas de mecanismos de daño [1] entre los que se encuentran rotura de fibras, delaminación, grietas en la matriz, decohesión de la interfaz fibra-matriz, etc. En la actualidad se tienen dos enfoques para lidiar con el daño y su influencia en la respuesta mecánica de la estructura, dependiendo de la escala: microdaño y el macrodaño (también llamado mecánica del daño continuo) [2]. El presente trabajo es una revisión de los dos métodos numéricos para el modelamiento del daño y su conveniencia para la aplicación en tuberías multicapa de fibra de vidrio con matriz epóxica. El microdaño se basa en la micromecánica, donde se usa un elemento de volumen representativo (RVE) [3] para después homogenizar la respuesta de ese elemento y tratar la estructura como un continuo. La micromecánica tiene la ventaja de que es posible obtener la respuesta de cualquier estructura en forma numérica, basada únicamente en los parámetros de los constituyentes individuales. Su desventaja es que es difícil simular la distribución aleatoria de las propiedades y de la geometría en el RVE. La mecánica del daño continuo consiste en tratar el daño en función de variables de estado continuas como el daño, la plasticidad y las fuerzas termodinámicas asociadas [4]. Requiere de parámetros de iniciación y evolución de daño. Su ventaja es que trabaja con valores obtenidos experimentalmente, lo que produce resultados cercanos a la realidad. Sin embargo, dependiendo del modelo, no se pueden tener en cuenta todos los mecanismos de daño y la obtención de parámetros se dificulta en los modelos más exactos, debido a su número. Finalmente se presenta el análisis del daño en una tubería multicapa usando la formulación de mecánica del daño continuo, formulación escogida debido a la facilidad de implementación en el software de elementos finitos y su madurez respecto a los modelos establecidos [5]–[7]

In the oil and gas industry composite pipe has been replacing conventional steel pipe. This paper is a summary of the state of the art of simulation and characterization of damage of composite pipes, a laminate stress analysis is presented and the first ply failure according to the different theories proposed for composite materials, comparing three boundary conditions that are common in pipes: open end, fixed end and closed ends., En la industria del petróleo y gas se ha venido remplazando la tubería de acero convencional por tubería de material compuesto. El presente trabajo es un resumen del estado del arte en simulación y caracterización de daño en tuberías de material compuesto, se presenta además el análisis de esfuerzo del laminado y falla de la primera capa según las diferentes teorías de falla propuestas para materiales compuestos, comparando 3 condiciones de contorno típicas en tuberías: Finales abiertos, fijos y cerrados. Palabras Clave— Tubería compuesta, Laminado, Daño.

Se estiman las curvas de carga-reducción de espesor obtenidas como resultado de un ensayo de compresión con deformación plana tipo Ford (ETF) utilizando el método de elementos finitos (MEF), a partir de las curvas esfuerzo-deformación, derivadas experimentalmente de un ensayo de tracción. Se validó el modelo geométrico propuesto utilizando el programa comercial ABAQUS TM a través de la comparación de resultados computacionales con los experimentales de aleaciones de aluminio 3003, 8011 y 6063. Se valida el modelo computacional en dos dimensiones del ensayo Ford con el uso del ancho de probeta variable y el coeficiente de roce promedio constante, tanto en la simulación como en el tratamiento de las curvas de esfuerzo-deformación del material (cálculo de curvas fuerza-desplazamiento del ETF). En el modelo validado para las aleaciones, se obtiene una sobrestimación de los valores de carga entre el 4% y 6% al inicio de la deformación plástica, y una subestimación entre el 2% y 3% al finalizar el ensayo. Asimismo, mientras menor sea el coeficiente de ensanchamiento, parámetro que relaciona el ancho de probeta inicial y final, menor será el efecto del uso de ancho probeta constante en el modelo. Posteriormente, utilizando los modelos matematicos propuestos por tres investigadores, se extrapola el comportamiento a tracción de dichas aleaciones, para luego introducir estas curvas de esfuerzo-deformación en el modelo computacional y estimar los resultados obtenidos del ETF. El modelo de exponencial parece ser el modelo que mejor representa la forma curvas obtenidas en el ETF, sin embargo, en los valores aún existen algunas discrepancias. The results of a plane strain compression test (PSCT) were estimated by mean of the finite element method (FEM) and data of stress flow experimentally obtained from a tension test. The geometric model employed in ABAQUS TM was validated by comparing load-thickness reduction computational curves to experimental ones. Three different aluminum alloys were studied: 3003, 8011 and 6063. The two-dimensional FEM model is validated using a variable specimen width and a constant average friction coefficient, both in simulation as in the stress-strain material curves calculation. The computational results showed a 4-6% overestimation in terms of load at the beginning of plastic strain and a 2-3 % underestimation and the end of the PSCT. Moreover, the lower the spreading coefficient selected (parameter that takes into account the initial and final specimen´s width ratio), the smaller the effect of the use a specimen with constant average width, in the two-dimensional computation model. The application of hardening laws proposed by Hollomon, Voce and Sah allowed extrapolating the alloy’s tensile behavior and utilizing the stress-strain curves obtained under the FEM´s analyses, in order to estimate the results of PSCT. It was concluded that in all of the three alloys investigated, the Hollomon’s equation showed the best approximation to the load-thickness reduction PSCT experimental curves, however the values showed some discrepancies.

La cementación de pozos en zonas no consolidadas, con estrecho margen entre los gradientes de poro y fractura, requieren un foco en sistemas cementantes de baja densidad. La perforación en aguas profundas donde una serie de pozos son perforados, cementados, completados y puestos a producción a una plataforma específica, la cual posee un determinado número de anclas que de acuerdo con el estudio de suelos puede ser del tipo torpedo o de anclaje utilizando pozos cementados. Estos pozos utilizados para el anclaje de unidades marítimas de producción se perforan en aguas profundas con retorno al suelo marino, sin equipamiento para prevenir reventones y sin tubería de conexión entre la unidad marítima de perforación y el pozo, en zonas no consolidadas con bajo gradiente de fractura. Diseños de sistemas cementantes son desarrollados y pruebas de laboratorio son ejecutadas para determinar si se adaptan a las condiciones previstas para garantizar el anclaje mediante un eficiente sistema de pozo, cemento y tubería. Se desarrollaron sistemas cementantes para aplicación Costa Afuera con una resistencia compresiva mayor a 2500 psi, que estén entre los rangos de gradiente de poro y de fractura en formaciones no-consolidadas, en profundidad de agua de 1400 m y temperatura del suelo marino de 40 ºF. Es novedoso el desarrollo de sistemas cementantes en láminas de agua profundas, con temperaturas del suelo marino relativamente bajas y con una alta resistencia compresiva. The cementing of wells in unconsolidated zones, with narrow margin between the pore and fracture gradients, require a focus on low density cements systems. Drilling en deep water where a series of wells are drilled, cemented, complete and put into a production in a specific maritime unit. These maritime unit of production would need a certain number of anchors, which according to study of soils can be of torpedo type or cemented wells. When drilling deep water wells of the sea floor return, the riserless, drill sections have low fracture gradient, unconsolidated sands. Cement system design are developed and laboratory tests are executed to determine the anchorage which an efficient system of well, cement and casing. Cement systems developed for offshore application with a compressive strength greater than 2500 psi, between the gradient pore and fracture in unconsolidated formations, in water depth of 1400 m, where the temperature of the ocean floor is 40 ºF. The cement system development is new in deep water, with low temperatures of the sea floor and with a high compressive strength.