RESUMEN
En un escenario en el que la ingeniería se orienta cada vez más hacia el diseño optimizado, el uso de materiales ligeros y el rendimiento multifuncional, la predicción precisa del comportamiento a fatiga de los materiales compuestos bajo condiciones de servicio realistas resulta esencial. Los enfoques tradicionales para el análisis de la fatiga en polímeros reforzados con fibra (FRP) suelen basarse en extrapolaciones simplificadas de datos de laboratorio o en modelos homogeneizados que no consideran las complejas interacciones entre los materiales constituyentes y las influencias del entorno. Además, estos enfoques generalmente no contemplan las variaciones de temperatura. Esta visión simplificada limita la capacidad de capturar los mecanismos acoplados de degradación mecánica y térmica inherentes a los materiales avanzados.
La presente tesis propone un marco numérico unificado basado en el Método de los Elementos Finitos (FE), que integra una estrategia fenomenológica de homogeneización, la Teoría de Mezclas Serie-Paralelo (SP-RoM), con una novedosa Ley Constitutiva (CL) para Fatiga de Alto número de Ciclos (HCF). Este enfoque permite la representación simultánea de las respuestas diferenciadas a fatiga de las fibras y la matriz en laminados compuestos con apilamientos estratificados, teniendo en cuenta las variaciones en la secuencia de capas y la orientación de las fibras. Una innovación clave es una metodología de calibración que infiere los parámetros de fatiga a nivel de los constituyentes a partir de datos experimentales a escala de laminado, superando así las dificultades asociadas al ensayo directo de los componentes individuales.
Además, se presenta un modelo de fatiga acoplado termomecánicamente que incorpora propiedades materiales dependientes de la temperatura y la dilatación térmica, generalizando las curvas clásicas de predicción de vida a fatiga para campos de temperatura fluctuantes y espacialmente variables. Para abordar la elevada demanda computacional de las simulaciones de fatiga, se ha desarrollado una estrategia de avance en el tiempo (AITS) con salto de ciclo (CJ), que permite una simulación eficiente de la evolución del daño a fatiga a largo plazo sin sacrificar la precisión. Validada frente a referencias experimentales y datos bibliográficos, la metodología propuesta supone un avance en la predicción de la vida a fatiga de materiales compuestos, ofreciendo una herramienta flexible, robusta y computacionalmente eficiente. Asimismo, la formulación de fatiga ha sido mejorada para capturar efectos termomecánicos complejos. Este trabajo sienta las bases para futuras investigaciones sobre el modelado integrado de fatiga y fenómenos de degradación multifísica en estructuras compuestas avanzadas.
Directores/as de tesis:
DOCTORANDA
Barbara Alcayde es doctoranda al clúster de investigación del CIMNE en Ingeniería aeronáutica, naval, de automoción y energética. Su investigación se centra en la modelización computacional y el análisis estructural de materiales compuestos, especialmente en relación con el comportamiento a fatiga y las aplicaciones de ingeniería, como la industria de la automoción.