RESUM
En un escenari en què l’enginyeria s’orienta cada vegada més cap al disseny optimitzat, l’ús de materials lleugers i el rendiment multifuncional, la predicció precisa del comportament a fatiga dels materials compostos sota condicions de servei realistes resulta essencial. Els plantejaments tradicionals per a l’anàlisi de la fatiga en polímers reforçats amb fibra (FRP) sovint es basen en extrapolacions simplificades de dades de laboratori o en models homogeneïtzats que no consideren les interaccions complexes entre els materials constituents i els efectes de l’entorn. A més, aquests plantejaments generalment no contemplen les variacions de temperatura. Aquesta visió simplificada limita la capacitat de capturar els mecanismes acoblats de degradació mecànica i tèrmica inherents als materials avançats.
La present tesi proposa un marc numèric unificat basat en el Mètode dels Elements Finits (FE), que integra una estratègia fenomenològica d’homogeneïtzació, la Teoria de Mescles Sèrie-Paral·lel (SP-RoM), amb una nova Llei Constitutiva (CL) per a la Fatiga d’Alt Nombre de Cicles (HCF). Aquest enfocament permet la representació simultània de les respostes diferenciades a fatiga de les fibres i la matriu en laminats compostos amb apilaments estratificats, tot tenint en compte les variacions en la seqüència de capes i l’orientació de les fibres. Una innovació clau és una metodologia de calibratge que infereix els paràmetres de fatiga a nivell dels constituents a partir de dades experimentals a escala de laminat, superant així les dificultats associades a l’assaig directe dels components individuals.
A més, es presenta un model de fatiga acoblat termomecànicament que incorpora propietats materials dependents de la temperatura i la dilatació tèrmica, generalitzant les corbes clàssiques de predicció de vida a fatiga per a camps de temperatura fluctuants i espacialment variables. Per afrontar l’elevada demanda computacional de les simulacions de fatiga, s’ha desenvolupat una estratègia d’avanç en el temps (AITS) amb salt de cicle (CJ), que permet una simulació eficient de l’evolució del dany a fatiga a llarg termini sense sacrificar la precisió. Validada amb referències experimentals i dades bibliogràfiques, la metodologia proposada suposa un avenç en la predicció de la vida a fatiga dels materials compostos, oferint una eina flexible, robusta i computacionalment eficient. Així mateix, la formulació de fatiga ha estat millorada per capturar efectes termomecànics complexos. Aquest treball estableix les bases per a futures investigacions sobre el modelatge integrat de la fatiga i els fenòmens de degradació multifísica en estructures compostes avançades.
Directors/es de tesi:
DOCTORANDA
Barbara Alcayde és doctoranda al clúster de recerca del CIMNE en Enginyeria aeronàutica, naval, d’automoció i energètica. La seva recerca se centra en la modelització computacional i l’anàlisi estructural de materials compostos, especialment en relació amb el comportament a fatiga i les aplicacions d’enginyeria, com ara la indústria de l’automoció.