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Proceedings of: XIII Congreso Nacional de Materiales Compuestos (MATCOMP'19), 3-5 July 2019, Vigo, España. En la fabricación de estructuras sándwich de material compuesto, unas de las opciones más utilizadas como núcleo es el uso de espumas poliméricas. Debido al cada vez mayor esfuerzo en reducir el impacto medioambiental de los procesos industriales, existe un gran interés en incorporar materiales de origen natural que permitan disponer de fuentes renovables y que faciliten los procesos de reutilización y de reciclado. Una de las posibilidades para sustituir a las espumas poliméricas es el corcho aglomerado que presenta unas buenas propiedades mecánicas. No obstante, para que sea posible su uso como núcleo en estructuras sandwich es necesario conocer su comportamiento frente a cargas de impacto, tanto de baja como de alta velocidad. En este trabajo se compara el comportamiento de una espuma de PVC comercial con corchos aglomerados de diferentes densidades. Se ha analizado la fuerza, desplazamiento, energía absorbida y velocidad de perforación. Se ha observado que el comportamiento del corcho aglomerado puede ser similar al de una espuma polimérica convencional, aunque con un incremento de peso. Adicionalmente se ha puesto de manifiesto que el corcho aglomerado puede ser una alternativa mejor a las espumas poliméricas en aquellas aplicaciones que puedan verse sometidas a varios impactos sucesivos. Los autores agradecen al Ministerio de Economía y Finanzas de España por la financiación del proyecto DPI2017-86324-R.

Comunicación en: XII Congreso Nacional de Materiales Compuestos (MATCOMP 2017), San Sebastián, 21-23 de junio de 2017 Los elementos estructurales de una aeronave fabricados de materiales compuestos son susceptibles de sufrir daños durante su vida en servicio. Debido al alto nivel de integración y al gran tamaño de los componentes estructurales, la sustitución completa de los componentes dañados no siempre es viable, por lo que la reparación puede suponer un gran ahorro tanto desde el punto de vista económico como temporal. Dado que las reparaciones adhesivas pueden ofrecer ciertas ventajas con respecto a las mecánicas, existe un gran interés por aumentar el conocimiento sobre su comportamiento frente a las distintas cargas estáticas a las que va a estar sometido en su vida en servicio, el cúal depende de un gran número de parámetros. En este trabajo se ha desarrollado un modelo numérico de elementos finitos implementado en Abaqus/Explicit que permite analizar la respuesta mecánica de laminados reparados frente a cargas estáticas. Se ha validado experimentalmente, usándose posteriormente para realizar ensayos virtuales de probetas reparadas con parche doble sometidas a tracción estática, analizando los resultados de fuerza máxima y rigidez al variar el tamaño y la topología (rectangulares y circulares). Las autoras agradecen la financiación recibida para el desarrollo de este trabajo al Ministerio de Economía y Finanzas de España en el marco del proyecto DPI2013-42240-R.

In this paper, the interlaminar stresses in open-hole laminates subjected to compressive loads are analysed using a numerical model. This model implements the Serial/Parallel Mixing Theory (S/PMT) and a Continuum Damage Mechanics (CDM) approach. The S/PMT estimates the global stiffness in the laminate from fibre and matrix properties. The CDM approach models the damage initiation due to fibre microbuckling. The global response estimated by the model was verified with experimental data from the literature. The model predicts that the damage initiates in the laminate middle-plane where the thickest block of plies oriented in the load direction is located, and progressively propagates to the nearest block of layers with the same orientation. Two laminate stacking sequences were analysed. The interlaminar stresses around the hole presented symmetry with respect to the load direction and the perpendicular axis, being located the maximum and minimum values in different angular positions for each stress component and laminate.

ICCE 12. Twelve International Conference on Composites / Nano Engineering. Tenerife, Spain, August 1-6, 2005 In this paper the effect of static biaxial preloading of CFRPs plates under high velocity impact is investigated experimentally. Results are compared with those obtained when no static loads are applied to the specimens. Two magnitudes were measured from the tests: the residual velocity of the impacting projectile and the extension of the damage area in the laminate. The authors are indebted to the Inter-ministerial Commission of Science & Technology of Spain (Project: MAT2001-0735) for the financial support of this work. Publicado

Proceeding of: V International Conference on Science and Technology of Composite Materials, 8° Congreso Nacional de Materiales Compuestos, COMATCOMP '09, San Sebastián, Spain, 6-9 octubre 2009 En este trabajo, se ha analizado experimentalmente el comportamiento a flexión dinámica de vigas sándwich con pieles de fibra de vidrio/poliéster y núcleo de espuma de PVC. Se han llevado a cabo ensayos dinámicos de flexión en tres puntos, de los que se ha obtenido la fuerza de contacto, la energía absorbida y el desplazamiento máximo de ambas pieles. Se ha analizado la influencia de la energía de impacto sobre estas variables y en el modo de fallo de las vigas, observando que la compresión del núcleo bajo el área de contacto provoca una localización del daño que favorece la rotura de la piel superior. Project CCG08-UC3M/DPI-4348

Proceeding of: 15th International Conference on Composite Structures (ICCS/15), University of Porto, Porto, Portugal, 15-17 June 2009 In this study the behaviour of composite sandwich panels with aluminium honeycomb core subjected to high velocity impact was analysed by a numerical model which was validated by experimental tests. Publicado

El grupo de investigación en Mecánica de Materiales Avanzados del Departamento de Mecánica de Medios Continuos de la Universidad Carlos III de Madrid (España) ofrece su experiencia en el análisis y modelización del comportamiento frente a impacto de alta y baja velocidad, y en el estudio de la tolerancia al daño de elementos estructurales fabricados con materiales compuestos.

Mechanics of Advanced Materials research group (Department of Continuum Mechanics and Structural Analysis) of the University Carlos III of Madrid (Spain) offers their experience in the analysis and modelization of high and low velocity impact behaviour and damage tolerance of composite structures.

16TH International Conference on Composite Materials (ICCM-16), Kyoto, Japan, Jul 8-13, 2007 This work investigates the effect that a biaxial preload causes on woven laminate panels of glass fibre and polyester matrix subjected to high-velocity transversal impact. For this, an existing analytic model based on energy considerations was used, this being modified to include the presence of a preload. The results of the analytic model for the biaxial preload state were compared with the results found for the free state of preload. Minimal difference was found between the two results. Therefore, numerical simulations were made to order to study the effect of the preload in greater detail; furthermore, experimental tests were made, validating the analytic and numerical model. In general, the two methods revealed minimal differences between the values of the ballistic limit and those of the residual velocity. The Spanish Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología(Project MAT2001-0735)

This work examines the behaviour of glass/polyester panels under high-velocity impact. A theoretical analysis of the problem by an engineering model based on energy balance is validated by experimental impact tests. A gas gun was used for the tests, firing high-velocity projectiles against the panels. With the analytical model, the energy absorbed by the glass/polyester panels on impact (at velocities of 140 - 525 m/s) is calculated, and therefore the residual velocity of the projectile and the ballistic limit. Both these variables are very close to the results of the experimantal tests. Comunidad Autonoma de Madrid from Spain (Project GR/MAT/0498/2004) Publicado

The 3rd International Conference on Structural Stability and Dynamics,, June 19-22, 2005, Kissimmee, Florida In this paper the behaviour of plates when they are subjected to normal impact under in-plane pre-stressed conditions was studied. Two kinds of lightweight materials were considered: aluminium alloy 7075 and quasi-isotropic glass fibre-reinforced vinylester resin. The residual velocity, the ballistic limit and, in the case of the composite material, the delaminated area, were measured in each test. Unstable cracks, that generate the catastrophic failure of the panel, were observed in the case of the aluminium at pre-stressed load levels lower than those inducing material yielding. The authors are indebted to the Spanish Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología (Project MAT2001-0735) for the financial support of this work. Publicado

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

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

Mención Internacional en el título de doctor In recent decades, the use of composite materials has increased in different sectors of the industry, such as aeronautical and aerospace areas, because of their excellent properties and the reduction in weight that they entail compared to traditional materials. Aircrafts can suffer damage during its service life, so the repair of the damaged components can be considered of interest due to its large size and high level of integration. Among the different repair techniques, adhesive repairs are the only which can be applicated on thin laminates. The objective of a structural repair is to restore the strength of the damaged component. Moreover, the repair must avoid changes in the overall stiffness of the structure, guaranteeing a correct load transfer. The behaviour of composite adhesively-bonded repairs depends on a large number of parameters, so that the performance of an exclusively experimental study would involve high temporal and economic costs. On the other hand, analytical models can be used to analyse the problems in global terms without studying the influence of different parameters in detail. In this PhD Thesis the study of the behaviour of composite patch repairs applied on thin laminates subjected to uniaxial tensile loads under static and dynamic conditions is proposed. A three-dimensional numerical model using the finite-element code Abaqus has been developed to reproduce its response. As a first approach to the analysis of structural repairs, bonded joints were analysed, going into detail about the adhesive response. A progressive damage model using the Cohesive Zone Model formulation to predict the damage onset and its propagation was used to define the adhesive behaviour. This model was validated considering results from the literature for singlelap joints. The influence of geometric and numerical parameters on the joint response were analysed. The numerical model was extended to define the adhesively-bonded repair behaviour. A user subroutine based on Hashin criteria to reproduce the composite laminate behaviour, together with the adhesive damage model validated previously, was developed to study the repair behaviour. Experimental tests under static and dynamic conditions, considering different specimen configurations, were carried out to validate the numerical model. Moreover, experimental tests on undamaged and open-hole laminates were carried out to evaluate the efficiency of the repairs. The numerical model was used to analyse the influence of the repair configuration (singleor double-lap), overlap length, adhesive thickness, patch stacking sequence, patch geometry and strain rate dependence on the repair behaviour. En las ultimas décadas, el uso de materiales compuestos se ha visto incrementado en diferentes sectores de la industria, entre los que destacan el aeronáutico y aeroespacial, debido a sus excelentes propiedades mecánicas y la reducción de peso que suponen frente a los materiales tradicionales. Las aeronaves pueden sufrir danos durante su vida en servicio, por lo que la reparación de los componentes afectados resulta de especial interés debido al alto nivel de integración y elevado tamaño de los mismos. Entre las diferentes técnicas de reparación existentes aplicables a laminados delgados, destacan las reparaciones adhesivas. El objetivo principal de una reparación estructural es restaurar la resistencia del componente dañado a la de su estado previo al daño. De la misma forma, debe evitar cambios en la rigidez global de la estructura, garantizando una correcta transferencia de carga. El comportamiento de las reparaciones adhesivas de material compuesto depende de un elevado numero de parámetros, por lo que la realización de un estudio exclusivamente experimental supondría un elevado coste temporal y económico. Por otra, los modelos analíticos permiten el estudio del problema planteado en términos globales, pero sin llegar a contemplar en detalle la influencia de las diferentes variables. En la presente Tesis Doctoral se analiza el comportamiento de reparaciones adhesivas estructurales de tipo parche externo sobre laminados delgados fabricados con material compuesto sometidas a esfuerzos de tracción uniaxial en condiciones estáticas y dinámicas. Para ello, se ha desarrollado un modelo numérico tridimensional empleando el código comercial de elementos finitos Aboqus, el cual permite predecir la respuesta de este tipo de reparaciones. Como primera aproximación al estudio de reparaciones adhesivas se ha llevado un análisis sobre uniones adhesivas que ha permitido profundizar en el comportamiento del adhesivo. Se ha empleado un modelo de daño progresivo basado en la formulación de los Modelos de Zona Cohesivos, capaz de predecir el inicio del daño y su evolución. Este modelo se ha validado con resultados disponibles en la literatura de uniones adhesivas y se ha empleado para analizar la influencia de parámetros relativos al modelo y de parámetros geométricos sobre la respuesta a tracción uniáxica en condiciones estáticas. Una vez validado el modelo de comportamiento del adhesivo, se ha extendido al comportamiento de reparaciones adhesivas sometidas a un mismo estado de cargas en condiciones estáticas y dinámicas. El comportamiento del laminado de material compuesto se ha definido mediante una subrutina de usuario basada en el criterio de daño de Hashin. Con el objetivo de validarlo se han realizado ensayos experimentales a tracción uniaxial en condiciones estáticas y dinámicas sobre probetas reparadas considerando diferentes configuraciones. A su vez, se han realizado ensayos sobre probetas de laminados intactos y con agujero, el cual representa el saneamiento del daño, con el objetivo de evaluar la eficiencia de las reparaciones. El modelo numérico se ha empleado para analizar la influencia sobre el comportamiento de las reparaciones adhesivas de diversos parámetros como la configuración de la reparación, la longitud de solape, el espesor del adhesivo, la secuencia de apilamiento del parche, la geometría del parche y la velocidad de aplicación de la carga. Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial Presidente: Carlos Navarro Ugena.- Secretario: Elena Correa Montoto.- Vocal: Francisca Martínez Hergueta

La presente Tesis Doctoral aborda el estudio de las tensiones interlaminares que aparecen en las inmediaciones de los bordes libres de laminados de material compuesto intactos o en presencia de concentradores de tensión cuando se someten a cargas en su plano. Este estudio consiste en el análisis de los fenómenos de borde libre que ocurren en dos casos diferenciados. En primer lugar, se analizan las tensiones que se desarrollan a la altura de la interfase, en el borde libre, entre láminas cuyas fibras tienen diferentes orientaciones, pertenecientes a laminados intactos sometidos a estados de carga uniaxial de tracción. Se estudian las tensiones fuera del plano que aparecen para diferentes secuencias de apilamiento, analizando el cambio de los valores de las tensiones cuando se varía la orientación de las fibras. El modelo utilizado se basa en un enfoque macroscópico del comportamiento de la lámina que, convenientemente simplificado, permite reducir las ecuaciones a un esquema de diferencias finitas que proporciona el valor de los desplazamientos en puntos discretos del sólido. El método utilizado ha sido validado con resultados de la literatura científica y la realización de ensayos experimentales. La variable que se ha seleccionado, como indicador de la presencia de efectos de borde, es el gradiente del desplazamiento longitudinal en el ancho del laminado, que una vez medido experimentalmente permite corroborar la presencia de las tensiones interlaminares. En segundo lugar, se analizan las tensiones interlaminares que se desarrollan en las inmediaciones de los bordes libres de un laminado con un agujero en el centro geométrico del mismo y que se encuentra sometido a un estado uniaxial de compresión. Para modelar el micropandeo de las fibras alineadas con la dirección de la carga, se propone un modelo fenomenológico de daño continuo isótropo para la fibra, combinado con la Teoría de Mezclas Serie/Paralelo como ley constitutiva del material compuesto. Los parámetros del modelo se fijan utilizando resultados experimentales, extraídos de la literatura, correspondientes a un ensayo de compresión de un laminado sin agujero con las fibras orientadas en la dirección de la carga. Con los parámetros calibrados, el modelo se valida con los resultados correspondientes a dos ensayos de compresión, uno consistente en un laminado sin agujero con las fibras orientadas según diferentes direcciones y otro con agujero con la misma secuencia de apilamiento. Posteriormente, se evalúan las tensiones interlaminares, a lo largo del espesor, tanto en el borde libre del agujero como en el extremo. Finalmente, se analizan las tensiones en el agujero en las láminas con diferentes orientaciones y se repite el estudio para diferentes secuencias de apilamiento. This PHD Thesis deals with the study of interlaminar stresses of unnotched and notched composite laminates under in-plane loads. The study consists of the analysis of the free-edge effects in two different cases. Firstly, an analysis of the influence of fibre orientation on the interlaminar stresses of unnotched composite laminates subjected to traction load was carried out. The analysis is focused, near the free edge, on the interphase between plies with different fibre orientations. A finite difference scheme was implemented in order to obtain the displacements of the discrete material points. This numerical method has been validated using scientific literature and experimental data as well. The presence of a displacement gradient, across the width, was demonstrated using this finite difference scheme. The study showed that the maximum value is dependent on the orientation of the plies in the laminate. The displacement gradient is related to interlaminar stresses, which in turn are dependent on fibre orientation. In order to study the dependence of the out-of-plane stresses on these parameters, an analysis of symmetric laminates with varying stacking sequences and ply orientations was carried out. Secondly, interlaminar stresses near the free edge of an open-hole composite laminate subjected to compression load, were studied. In order to deal with the 0 fibre microbuckling, a phenomenological continuum isotropic damage model is proposed. In addition, the Serial/Parallel Mixture Theory is considered as the composite constitutive law. In the model proposed, damage parameters are required. In this Thesis, these damage parameters are fixed by using experimental data, available in the scientific literature, corresponding to an unidirecctional unnotched laminate subjected to compression load. Afterwards the model is validated using two different compression tests, one for a multidirecctional unnotched laminate and another for a laminate with an open-hole in the geometrical centre. Finally, after model validation, the interlaminar stresses, through the laminate thickness and around the hole, are studied by comparing results varying the stacking sequence. Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial Presidente: José Fernández Sáez.- Secretario: Luis Castejón Herrer.- Vocal: Jesús Manuel Alegre Calderón

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

En esta Tesis Doctoral se ha estudiado el comportamiento frente a impactos de baja velocidad de vigas sándwich constituidas por pieles de material compuesto de tipo laminado y núcleo de nido de abeja de aluminio. Existen tres clases de metodologías para hacer frente a este estudio: el análisis experimental, los modelos analíticos y las simulaciones numéricas. La realización de un estudio experimental exhaustivo supone una gran inversión, tanto en términos económicos como temporales, por lo que la utilización de modelos analíticos y herramientas de simulación representa una alternativa eficiente. Los modelos analíticos permiten evaluar variables globales como la fuerza o el desplazamiento pero sin llegar a profundizar en el proceso de fallo de pieles y núcleo. Las simulaciones numéricas suelen lograr descripciones más precisas y detalladas de la respuesta a impacto y su flexibilidad en relación a las variaciones de condiciones de contorno, geometría y material, es muy apreciada en el campo de la investigación. Disponer de modelos numéricos permite profundizar en el conocimiento del comportamiento a impacto de las estructuras sándwich, proporcionando información que es difícilmente extraíble de forma experimental. No obstante, ambos tipos de modelos exigen la realización de ensayos experimentales para su validación. Con este objetivo se han llevado a cabo una serie de ensayos experimentales en torre de caída, donde se evaluaron la fuerza máxima de contacto, el tiempo de contacto del ensayo, el desplazamiento máximo de ambas pieles y la energía absorbida de las vigas sándwich. Se ha desarrollado un modelo analítico que permite estimar la fuerza de contacto que se produce en un impacto de baja velocidad sobre vigas sándwich de pieles de material compuesto. Este modelo, validado experimentalmente, se ha formulado en variables adimensionalizadas lo que ha permitido determinar los grupos adimensionales que dominan la dinámica del sistema, pudiendo realizar variaciones de los mismos para analizar su influencia sobre el fenómeno de impacto estudiado. Asimismo se ha realizado un modelo de elementos finitos para simular el impacto a baja velocidad sobre vigas sándwich, estudiando la absorción de energía en función de la energía de impacto, así como el comportamiento de las pieles de material compuesto y del núcleo de nido de abeja durante el fenómeno de impacto. El modelo constitutivo utilizado para las pieles ha sido ampliamente utilizado en trabajos previos del Departamento. El comportamiento asumido para simular el núcleo de nido de abeja se ha validado mediante la realización de ensayos experimentales de compresión. Debido a que la compresión del núcleo es un factor clave en la capacidad de absorción de energía de la viga sándwich, se ha realizado un estudio numérico de la influencia que tiene la variación de ciertos parámetros del modelo (espesor de pared de celda, el tamaño de la celda hexagonal, el valor del límite elástico del material y la altura de núcleo)., In this PhD Thesis, the low-velocity impact behaviour of sandwich beams with woven carbon fibre-epoxy face-sheets and aluminium honeycomb core is studied. There are three ways to deal with this study: experimental analysis, analytical modelling and numerical simulations. An intensive experimental test program can be both time and cost intensive; therefore, analytical and finite-element models may represent an efficient alternative to reproduce those impact events. Analytical approaches can assess global variables such as force or displacement; however it is needed to explore in more detail the failure process of the facesheets and the core. Finite-element models are usually developed to achieve more precise and detailed descriptions of impact events. Finite-element modelling seems to be more flexible than the analytical approach, as several variables such as material, geometry, and boundary conditions can be easily modified. In this context, simulations have allowed a deeper understanding of the impact response of sandwich structures, and can also give access to information hardly obtainable by experiments. Modelling require experimental testing for validation. In line with this objective, impact tests of the composite sandwich beams at low-velocity impact were conducted in an instrumented drop-weight tower apparatus. The experimental tests were evaluated in terms of maximum contact force, contact time, displacement of the two face-sheets, and absorbed energy. It was developed an analytical model for estimating the contact force that occurs in a low-velocity impact on sandwich beams with composite face-sheets. This analytical model, validated experimentally, has been formulated using a dimensionless method and there were determined several dimensionless groups, which dominate the dynamics of the impact. It was analysed the effect of varying the dimensionless groups and their influence on the studied impact phenomenon. A finite-element model of the honeycomb cored composite sandwich beams under low-velocity impact was developed with Abaqus/Explicit code. The absorbed energy as a function of the impact energy, the behaviour of both face-sheets and the honeycomb core during the impact event were studied. The face-sheet behaviour was modelled through a user subroutine, and has been widely used in previous works. The aluminium honeycomb core behaviour was validated through a set of experimental tests. Due to the influence of several core parameters on the crush behaviour and on the energy-absorption capacity of honeycomb core structures, a threedimensional finite-element model of a honeycomb-core structure was developed, and virtual compressive tests were simulated.

En el presente proyecto se va a analizar la fractura de un material compuesto (AS4/8552, carbono/epoxi) por fallo a fatiga a un número de ciclos determinado (oligocíclica). Concretamente el comportamiento interlaminar del material frente a fallo bajo modo II. Para ello se utilizarán probetas con un inserto entre láminas para obtener un inicio de grieta artificial a partir del cual se generará la grieta provocada por los ensayos. Una vez realizados los ensayos se deberá identificar marcas inequívocas en la superficie de la fractura de crecimiento interlaminar a fatiga en modo II. Estas marcas servirán para comparar el crecimiento de la grieta entre fatiga oligocíclica y fatiga a alto número de ciclos. Gracias a esta comparación se podrá establecer un comportamiento diferente o similar para bajo número de ciclos frente al cálculo que se acomete siempre con cualquier material de vida a fatiga, estableciendo el límite de ciclos que sufrirá un material a fatiga en su vida. Quedará las bases, para posteriormente estudiar, si se podrá establecer alguna ley que modifique a la ley de Paris en fatiga a bajo número de ciclos. O la posibilidad de alargar la vida de ciertos objetos poniendo remedio a los posibles fallos que pueda tener. Ingeniería Industrial

El principal objetivo del presente proyecto es el de desarrollar el cálculo, diseño y optimización de una nave para uso industrial considerando la normativa vigente CTE (Código Técnico de la Edificación) y utilizando para ello el código comercial CYPE Ingenieros. Ingeniería Mecánica

En este Proyecto Fin de Carrera se ha estudiado el comportamiento de un panel sándwich frente a impacto de baja velocidad en el que se obtiene la fuerza de contacto entre el proyectil y el panel sándwich en función del tiempo de impacto. Los paneles que se han estudiado están constituidos por las pieles, formadas por laminas de carbono-epoxy, y el núcleo de nido de abeja, de Nomex. Estos paneles tienen un laminado ortótropo, son simétricos y están empotrados en dos de sus caras. Para ello, se ha analizado un modelo dinámico que consiste en representar un sistema de dos grados de libertad mediante masas, resortes y un amortiguador, simulando el impacto de un proyectil sobre una estructura sándwich. Las masas representan las masas efectivas del sándwich y del proyectil, el amortiguador representa la resistencia al aplastamiento del núcleo y los resortes representan la rigidez del laminado y del panel sándwich. Las fuerzas de los resortes y del amortiguador se hallarán en primer lugar en un estudio estático y se ajustarán posteriormente con propiedades dinámicas del material. Las soluciones analíticas de este modelo se han comparado con datos experimentales para validar el modelo dinámico. Se ha desarrollado y mejorado dicho modelo analítico para obtener unos resultados que se ajustaran mejor a los datos experimentales y una vez conseguido se ha realizado un estudio paramétrico donde se determina cómo varía la fuerza de contacto máxima entre el proyectil y el panel sándwich en función de parámetros que intervienen en el problema de impacto, como pueden ser la velocidad del proyectil, el espesor del núcleo, el diámetro del proyectil o el tipo de laminado del panel sándwich. Ingeniería Técnica en Mecánica

En el presente proyecto se pretende abordar la problemática del estudio, diseño y cálculo de una estructura cimbrada para la ejecución de un puente o paso superior de hormigón armado. En el caso concreto de este estudio, se aborda la ejecución de un puente de un solo vano en forma de ala de gaviota de 0.90m de canto máximo, formando una planchada de 11.12m de ancho y 19.00m de longitud. La altura máxima a salvar por la cimbra desde apoyo de apuntalamiento hasta la cara inferior del encofrado es de 7.68m. Para ello se realizará en primer término un estudio detallado de los planos de proyecto proporcionados por el contratista, quién será el encargado de llevar a término la construcción de la estructura y para quién se realiza este proyecto. Una vez realizado el estudio de los planos, se pasa a la fase de diseño de la estructura cimbrada, fase durante la cual se acudirá a las fichas técnicas de los diferentes sistemas y elementos de encofrado empleados. Tras un croquis inicial del diseño, teniendo en consideración las características técnicas de todos los elementos, se empleará el programa Autocad 2007 para plasmar la configuración de la planchada horizontal tipo ala de gaviota, el replanteo de las cimbras, el arriostrado de las mismas y, en definitiva, todos los detalles necesarios para poder llevar a cabo en la obra un correcto montaje de la estructura. A continuación, se trasladará el diseño a una herramienta de cálculo estructural, el programa Cype-Metal 3D, en el cual se realizará un estudio bidimensional de todos los elementos para simular los estados de carga posibles a los que pudiera sometida la estructura, y verificar que en ningún caso se superan los estado límites de servicio de ninguno de los elementos. Para ello, se transformarán todos los componentes de la solución en una estructura de nudos y barras, se definirán sus secciones y los materiales de los que están compuestos, las coacciones y vínculos entre cada uno de ellos y las hipótesis de cargas de cada uno de los elementos. Ingeniería Industrial

En este proyecto fin de carrera se ha estudiado la influencia que tiene la geometría del percutor sobre la respuesta obtenida frente a impactos de baja velocidad de un laminado de material compuesto, en función de la energía de impacto utilizada. Para la realización del estudio se ha utilizado un tejido equilibrado de fibra de vidrio E en matriz poliéster. Durante el desarrollo de este proyecto se trabajará con placas, las cuáles se someterán a cargas dinámicas con diferentes tipos de percutores, que varían en geometría y peso. Posteriormente, se llevará a cabo el cálculo de los parámetros más representativos de cada impacto, cómo son la fuerza máxima ejercida sobre las probetas, el desplazamiento máximo del percutor y la energía absorbida. A partir de los resultados obtenidos, se realizará la evaluación y el análisis de los mismos en función de la forma y tamaño de los percutores y de la energía de impacto utilizada. Por último, se llevará a cabo la evaluación no destructiva de las placas ensayadas, por medio de una inspección visual, con la que se definirá la forma y el daño provocado por el impacto, y el cálculo de la extensión del área dañada, usando el programa de tratamiento de imágenes, Image-J, en función de la forma del percutor y la energía de impacto utilizada. Ingeniería Industrial

EL presente proyecto contempla el diseño y cálculo de las instalaciones mecánicas y térmicas de Fontanería, Agua Caliente Sanitaria, Energía Solar, Climatización y Protección Contra Incendios para un edificio de uso sanitario. Ingeniería Técnica en Mecánica

En este proyecto se ha diseñado y calculado una marquesina de una estación de servicio de estructura metálica empleando el código comercial de CYPE Ingenieros, acorde con el Código técnico de Edificación vigente. En él, se ha decidido instalar tres marquesinas que protegerán a los surtidores de las incidencias climatológicas, más otra marquesina protegiendo la entrada a la tienda de la propia estación de servicio. Estas cuatro marquesinas cubrirán un total de 479.36m2. Se ha decidido emplear acero A-42b para la construcción de las marquesinas y hormigón de clase HA-25 con redondos de acero corrugado B400S para las cimentaciones. Durante el desarrollo de este proyecto se han calculado todas las cargas que afectan a la estructura: peso propio, peso de la cubierta, sobrecarga de uso, sobrecarga de nieve y sobrecarga de viento, cumpliendo en todo momento con lo especificado en el CTE. Seguidamente se ha analizado la estructura con la ayuda del programa Metal 3D de CYPE Ingenieros, indicando en cada caso el proceso de cálculo, hasta conseguir los resultados finales: - Tanto en el cordón superior como en el inferior de las estructuras en celosía se han obtenido perfiles L-100x15 Doble en T con unión soldada, mientras que en los montantes y en las diagonales se han obtenido perfiles más pequeños, L-45x5. - El perfil obtenido para las correas ha sido un IPN-160. - Para el pilar central se ha obtenido un perfil HEB-340 Doble. - Para las cimentaciones se han obtenido unas zapatas rectangulares excéntricas de dimensiones 450x450x105 cm con un armado de acero corrugado redondo de diámetro 16. También se ha podido ver en este proyecto algunos gráficos de los esfuerzos que soporta la estructura, llegando a la conclusión básica de que el pilar central de la estructura es el que mayor esfuerzos soporta y por tanto es la parte crítica de la estructura. Ingeniería Industrial

It is remarkable the increasing use of advanced composite materials in manufacturing of structural elements in recent years. Thus traditional materials such as steel, wood or aluminum are giving terrain in certain applications to advanced composite materials, which succeed in improving speci c properties. In order to deepen in the eld of structural composite materials, this paper will study the tensional state of a composite laminated beam subjected to dynamic loads generating exional e orts. In order to solve the equations of motion modal analysis will be used. The stacking sequence, geometry and support conditions will be analyzed. In order to determine whether or not the beam breaks under the action of the external forces the Tsai-Hill broken criterion will be used. ________________________________________________________________________________ Es notable el aumento del uso de materiales compuestos avanzados en la fabricación de elementos estructurales en los últimos años. Así pues, los materiales tradicionales como el acero, la madera o el aluminio van cediendo terreno en ciertas aplicaciones a materiales compuestos avanzados, que consiguen mejorar propiedades especí cas. Con ánimo de profundizar en el campo de los materiales compuestos estructurales, en el presente trabajo se estudiará el estado tensional de una viga de material compuesto de tipo laminado sometida a cargas dinámicas que generen esfuerzos de exión. Para la resolución de las ecuaciones del movimiento se utilizará el análisis modal. Se analizará la in uencia de la secuencia de apilamiento, la geometría y las condiciones de apoyo. Con objeto de determinar si la viga rompe o no bajo la acción de las fuerzas exteriores se empleará el criterio de rotura de Tsai-Hill. Ingeniería Industrial