Compostos i Materials Avançats per a Estructures Multifuncionals (CAMMS)

Desenvolupament de models constitutius avançats per a una àmplia gamma de materials i sistemes estructurals, incloent compostos, formigó pretensat, materials biològics i de base biològica i sistemes d’autoreparació. Es posa especial èmfasi en el modelatge de fatiga per a la simulació eficient de la càrrega cíclica, utilitzant formulacions fenomenològiques i multiescala. Aquesta línia també inclou una comprensió completa dels mecanismes de dany micromecànic, dany anisotròpic, plasticitat, models acoblats de dany-plasticitat i mètodes de camp de fase, així com formulacions en ziga-zaga i enfocaments avançats per simular processos complexos de fallada i degradació al llarg del temps.

Compostos de polímers reforçats amb fibres llargues

Modelització constitutiva i simulació numèrica de compostos de polímers reforçats amb fibres llargues (LFRP), amb especial èmfasi en el seu comportament ortotròpic, depenent de la velocitat i de la història en condicions de càrrega complexes. El grup desenvolupa models avançats que integren mecanismes de dany i plasticitat, permetent una predicció precisa de fallades progressives, incloent-hi la càrrega dinàmica, la fatiga i els esdeveniments d’impacte. Aquestes formulacions inclouen teories en sèrie/paral·, models d’esquerdes untades, plasticitat basada en invariants, lleis de dany ortotròpic i models de dany-plasticitat acoblats enriquits amb efectes viscosos per capturar fenòmens dependents del temps. Es presta especial atenció a les matrius termoplàstiques, per la seva rellevància en aplicacions sostenibles i d’alt rendiment. La sublínia admet el disseny i la certificació de components compostos lleugers i robustos en els sectors aeroespacial, automotriu, marí i energètic. Els desenvolupaments recents també incorporen teories de fractura de camp de fase juntament amb plasticitat per simular l’evolució del dany microestructural en compostos reforçats amb fibres.

Modelització de la degradació de la fatiga

Aquesta recerca té com a objectiu proporcionar un enfocament integral i unificat de l’anàlisi de fatiga, capaç d’abordar escenaris de càrrega del món real que impliquen amplituds variables i la coexistència de múltiples règims de fatiga. S’han desenvolupat models constitutius per cobrir tot l’espectre del comportament de fatiga, des de la fatiga de cicle baix fins a la fatiga de cicle alt, utilitzant tant formulacions unificades generals com models específicament adaptats a cada règim. Es posa especial èmfasi en els mecanismes de degradació progressiva en la fatiga d’alt cicle, incloent-hi les seves no linealitats, i en el modelatge de l’acumulació de plasticitat cíclica característica de la fatiga de baix cicle. El marc resultant permet una avaluació precisa de la vida a fatiga d’espècimens, components estructurals i sistemes mecànics en condicions complexes de càrrega multiaxial i d’amplitud variable.

Materials biològics i de base biològica, i sistemes d’autocuració

Modelització constitutiva i simulació numèrica de materials avançats inspirats en sistemes biològics, amb un enfocament en la sostenibilitat, la circularitat i la durabilitat estesa. La investigació en aquesta àrea inclou polímers i compostos autoreparables, com els vitrimers, que són capaços de recuperar la integritat mecànica després del dany. Els models computacionals simulen el comportament acoblat de degradació-curació d’aquests sistemes, incorporant variables de dany termodinàmicament consistents, funcions d’activació i mètriques de curació efectives. Aquests models es validen mitjançant estudis experimentals i s’implementen en marcs d’elements finits no lineals. La sublínia també investiga el comportament mecànic de materials de base biològica derivats de recursos renovables, amb l’objectiu de reduir l’impacte ambiental mantenint un alt rendiment. Les aplicacions abasten components estructurals i multifuncionals en els sectors aeroespacial, automotriu i energètic, on la reparabilitat i la sostenibilitat són motors clau per a la innovació de materials.

Models avançats en ziga-zaga per a l’anàlisi multiescala de compostos i materials innovadors

Desenvolupament de models avançats en ziga-zaga per a l’anàlisi d’estructures compostes multicapa utilitzades en aplicacions lleugeres en els sectors aeroespacial, automoció, marítim i energètic. Aquests models estan dissenyats per capturar amb precisió el complex comportament mecànic a través del gruix de les estructures laminades i sandvitx, millorant les capacitats predictives dels models de feix i carcassa d’ordre baix sense augmentar el cost computacional. La investigació actual també aborda la integració de la cinemàtica en ziga-zaga amb enfocaments d’homogeneïtzació multiescala per permetre una anàlisi més precisa i robusta d’estructures compostes, inclosa la presència de defectes, mecanismes de dany i materials no convencionals. Es presta especial atenció a la implementació d’elements finits (FE) d’aquests models, amb l’objectiu d’integrar-los en marcs FE avançats i potencialment facilitar la seva adopció en eines de simulació comercials.

Desenvolupament i implementació de mètodes numèrics avançats per simular el comportament complex de materials i estructures heterogènies. Això inclou tècniques multiescala, models d’ordre reduït (ROM) i solucionadors eficients per a fenòmens no lineals com l’acoblament termomecànic, el contacte de fricció i la mecànica dels pneumàtics. El grup treballa àmpliament amb el mètode dels elements finits (FEM) per a la mecànica de sòlids (compressible i incompressible) i problemes de convecció-difusió. Altres àrees inclouen càlculs de valors propis i solucionadors acoblats per a la interacció fluid-estructura, termomecànica i termofluídica. La recerca actual també integra mecànica computacional assistida per dades i tècniques d’homogeneïtzació multiescala de segon ordre, amb aplicacions en materials com la maçoneria i les estructures de gelosia.

Simulació multiescala de materials compostos

Aquesta recerca aborda la simulació numèrica de materials heterogenis a través de formulacions multiescala, amb l’objectiu de capturar amb precisió el vincle entre els mecanismes microestructurals i la resposta a escala estructural. El grup desenvolupa estratègies d’acoblament millorades entre models que operen a diferents escales, incloses les interaccions closca-sòlid i feix-sòlid mitjançant tècniques d’homogeneïtzació d’alt ordre, així com condicions de contorn mixtes i enfocaments de pont d’escala basats en modelització d’ordre reduït. Es presta especial atenció a les formulacions d’elements de volum representatiu (RVE) per a l’anàlisi micromecànica, inclosa la simulació de l’evolució de fallades i danys dominades per fibres mitjançant models de camp de fase. Aquestes eines permeten la predicció de modes de fallada complexos amb un cost computacional reduït, alhora que preserven la precisió i la robustesa en diferents arquitectures compostes. En general, aquesta sublínia admet la simulació eficient i realista de components compostos en aplicacions d’alt rendiment.

Nous superelements a mida per a discontinuïtats estructurals

Desenvolupament d’alta eficiència computacional en l’anàlisi d’estructures compostes a gran escala amb discontinuïtats localitzades, com ara reforços, retalls, transicions laminades i juntes unides. Les regions regulars es modelen utilitzant elements convencionals de feix o closca, mentre que les zones amb irregularitats es tracten amb formulacions detallades d’esforços sòlids o plans. Per unir aquests dominis, desenvolupa estratègies d’interfície robustes que permeten un acoblament feble entre tipus de models, amb especial atenció a les interfícies laminars amb rigidesa variable, un segell distintiu dels materials compostos. Aquests enfocaments de modelatge híbrid també proporcionen la base per a la construcció de superelements mitjançant models d’ordre reduït (ROM), mitjançant els quals les representacions detallades de zones irregulars es caracteritzen numèricament i es condensen en noves formulacions eficients d’elements finits adaptades. L’objectiu final és garantir una integració perfecta amb els models estàndard de feix i carcassa utilitzats habitualment a la indústria, facilitant la simulació precisa i eficient de conjunts compostos complexos.

Integració de tècniques avançades d’optimització i metodologies de simulació per dissenyar materials i estructures de nova generació. Se centra en la topologia i les microestructures i arquitectures optimitzades per a la forma adaptades a la fabricació additiva, alhora que incorpora restriccions de procés com ara la mida mínima de les característiques, les limitacions de voladís i l’orientació de la construcció. El modelatge detallat de les propietats dels materials anisotròpics dels components impresos en 3D garanteix prediccions de rendiment precises i dissenys robustos i fabricables, avançant en materials d’alt rendiment i basats en aplicacions per a diverses indústries.

Modelització anisotròpica i anàlisi numèrica d’estructures impreses en 3D

Modelització precisa i simulació numèrica d’estructures compostes fabricades mitjançant processos additius. A causa de la deposició capa per capa i les orientacions de les fibres induïdes pel procés, els materials impresos en 3D presenten una forta anisotropia mecànica i tèrmica, que afecta significativament el seu comportament estructural i rendiment. El grup ha desenvolupat una formulació d’espai de mapeig que es pot integrar en qualsevol model constitutiu per reflectir el comportament direccional de resines i compostos reforçats amb fibres, ja sigui amb fibres curtes o llargues. Permet una simulació precisa dels efectes dependents del procés i admet estratègies de disseny robustes adaptades a les característiques específiques de la fabricació additiva. L’eina s’ha aplicat amb èxit a l’anàlisi de panells impresos a gran escala i estructures complexes com els sistemes kirigami torsionals, permetent una predicció fiable del rendiment i la fallada. Aquests desenvolupaments contribueixen a desbloquejar tot el potencial de la fabricació additiva composta en aplicacions d’alt rendiment.

Restriccions de fabricació additiva en l’optimització de topologia

Integració de restriccions de fabricació additiva (AM), com ara angles de voladís, mides mínimes de característiques, requisits de connectivitat i orientació de construcció, en marcs d’optimització de topologia i forma. En incorporar aquestes restriccions directament a l’etapa de disseny, les geometries resultants no només s’optimitzen per al rendiment mecànic, sinó que també es poden fabricar mitjançant tecnologies AM. Aquest enfocament integrat minimitza la necessitat de postprocessament, redueix els riscos de producció i millora la fiabilitat dels components impresos finals.

Disseny de materials arquitectònics, estructures de gelosia i deshomogeneïtzació

Desenvolupament de materials arquitectònics i estructures de gelosia optimitzades tant per al rendiment mecànic com per a la fabricabilitat. Tècniques avançades d’optimització topològica, combinades amb estratègies de deshomogeneïtzació, s’utilitzen per derivar patrons microestructurals òptims a partir dels requisits de disseny a macroescala. Les configuracions de gelosia resultants es poden traduir perfectament en geometries fabricables, especialment adequades per a processos de fabricació additiva. Aquest marc permet el disseny personalitzat de materials i estructures d’alt rendiment, tenint en compte tant els objectius funcionals com les limitacions de producció.

Els models de materials i les formulacions numèriques desenvolupades pel grup CAMMS estan disponibles per al disseny, anàlisi i optimització d’estructures d’enginyeria multifuncionals avançades. Totes les formulacions s’implementen en codis interns d’elements finits amb algorismes que garanteixen un cost computacional mínim, cosa que les fa òptimes per a la simulació de grans estructures. El programari resultant s’ha utilitzat per investigar i proposar noves estructures, fetes amb materials avançats, que poden complir requisits específics de rendiment en una àmplia gamma de camps d’enginyeria, inclosos els sectors aeroespacial, aeronàutic, marítim, industrial, civil, automotriu i energètic.