Compuestos y Materiales Avanzados para Estructuras Multifuncionales (CAMMS)

Desarrollo de modelos constitutivos avanzados para una amplia gama de materiales y sistemas estructurales, incluidos compuestos, hormigón pretensado, materiales biológicos y de base biológica, y sistemas de autorreparación. Se hace especial hincapié en la modelización de la fatiga para la simulación eficiente de la carga cíclica, utilizando formulaciones fenomenológicas y multiescala. Esta línea también incluye una comprensión integral de los mecanismos de daño micromecánico, daño anisotrópico, plasticidad, modelos de daño-plasticidad acoplados y métodos de campo de fase, así como formulaciones en zig-zag y enfoques avanzados para simular procesos complejos de falla y degradación a lo largo del tiempo.

Compuestos poliméricos reforzados con fibra larga

Modelización constitutiva y simulación numérica de composites de polímeros reforzados con fibra larga (LFRP), con especial énfasis en su comportamiento ortotrópico, dependiente de la velocidad y dependiente del historial en condiciones de carga complejas. El grupo desarrolla modelos avanzados que integran mecanismos de daño y plasticidad, lo que permite una predicción precisa de fallas progresivas, incluidos eventos de carga dinámica, fatiga e impacto. Estas formulaciones incluyen teorías seriales/paralelas, modelos de grietas manchadas, plasticidad basada en invariantes, leyes de daño ortotrópico y modelos de daño-plasticidad acoplados enriquecidos con efectos viscosos para capturar fenómenos dependientes del tiempo. Se presta especial atención a las matrices termoplásticas, debido a su relevancia en aplicaciones sostenibles y de alto rendimiento. La sublínea apoya el diseño y la certificación de componentes compuestos ligeros y robustos en los sectores aeroespacial, automotriz, marino y energético. Los desarrollos recientes también incorporan teorías de fractura de campo de fase junto con plasticidad para simular la evolución del daño microestructural en compuestos reforzados con fibra.

Modelado de degradación por fatiga

Esta investigación tiene como objetivo proporcionar un enfoque integral y unificado para el análisis de fatiga, capaz de abordar escenarios de carga del mundo real que involucran amplitudes variables y la coexistencia de múltiples regímenes de fatiga. Se han desarrollado modelos constitutivos para cubrir todo el espectro del comportamiento de la fatiga, desde la fatiga de ciclo bajo hasta el de ciclo alto, utilizando formulaciones generales unificadas y modelos específicamente adaptados a cada régimen. Se hace especial hincapié en los mecanismos de degradación progresiva en la fatiga de ciclo alto, incluidas sus no linealidades, y en el modelado de la acumulación de plasticidad cíclica característica de la fatiga de ciclo bajo. El marco resultante permite una evaluación precisa de la vida útil a fatiga de las muestras, los componentes estructurales y los sistemas mecánicos en condiciones complejas de carga multiaxial y de amplitud variable.

Materiales biológicos y de base biológica, y sistemas de autorreparación

Modelado constitutivo y simulación numérica de materiales avanzados inspirados en sistemas biológicos, con un enfoque en la sostenibilidad, la circularidad y la durabilidad extendida. La investigación en esta área incluye polímeros y compuestos autorreparables, como los vitrineros, que son capaces de recuperar la integridad mecánica después de un daño. Los modelos computacionales simulan el comportamiento acoplado de degradación-curación de estos sistemas, incorporando variables de daño termodinámicamente consistentes, funciones de activación y métricas de curación efectivas. Estos modelos se validan a través de estudios experimentales y se implementan en marcos de elementos finitos no lineales. La sublínea también investiga el comportamiento mecánico de los materiales de base biológica derivados de recursos renovables, con el objetivo de reducir el impacto ambiental manteniendo un alto rendimiento. Las aplicaciones abarcan componentes estructurales y multifuncionales en los sectores aeroespacial, automotriz y energético, donde la reparabilidad y la sostenibilidad son impulsores clave para la innovación de materiales.

Modelos avanzados en zig-zag para el análisis multiescala de compuestos y materiales innovadores

Desarrollo de modelos avanzados en zig-zag para el análisis de estructuras compuestas multicapa utilizadas en aplicaciones ligeras en los sectores aeroespacial, automotriz, marino y energético. Estos modelos están diseñados para capturar con precisión el complejo comportamiento mecánico a través del espesor de las estructuras laminadas y sándwich, mejorando las capacidades predictivas de los modelos de vigas y láminas de bajo orden sin aumentar el costo computacional. La investigación actual también aborda la integración de la cinemática en zig-zag con enfoques de homogeneización multiescala para permitir un análisis más preciso y robusto de estructuras compuestas, incluida la presencia de defectos, mecanismos de daño y materiales no convencionales. Se presta especial atención a la implementación de elementos finitos (FE) de estos modelos, con el objetivo de integrarlos en marcos avanzados de FE y facilitar potencialmente su adopción en herramientas de simulación comerciales.

Desarrollo e implementación de métodos numéricos avanzados para simular el comportamiento complejo de materiales y estructuras heterogéneas. Esto incluye técnicas multiescala, modelos de orden reducido (ROM) y solucionadores eficientes para fenómenos no lineales como acoplamiento termomecánico, contacto por fricción y mecánica de neumáticos. El grupo trabaja extensamente con el método de elementos finitos (FEM) para mecánica de sólidos (compresible e incompresible) y problemas de convección-difusión. Otras áreas incluyen cálculos de valores propios y solucionadores acoplados para la interacción fluido-estructura, termomecánica y termofluídica. La investigación actual también integra la mecánica computacional asistida por datos y las técnicas de homogeneización multiescala de segundo orden, con aplicaciones en materiales como mampostería y estructuras de celosía.

Simulación multiescala de materiales compuestos

Esta investigación aborda la simulación numérica de materiales heterogéneos a través de formulaciones multiescala, con el objetivo de capturar con precisión el vínculo entre los mecanismos microestructurales y la respuesta a escala estructural. El grupo desarrolla estrategias de acoplamiento mejoradas entre modelos que operan a diferentes escalas, incluidas las interacciones carcasa-sólido y haz-sólido utilizando técnicas de homogeneización de alto orden, así como condiciones de contorno mixtas y enfoques de puente de escala basados en modelos de orden reducido. Se presta especial atención a las formulaciones de elementos de volumen representativos (RVE) para el análisis micromecánico, incluida la simulación de la evolución de fallas y daños dominados por fibras utilizando modelos de campo de fase. Estas herramientas permiten la predicción de modos de falla complejos con un costo computacional reducido, al tiempo que preservan la precisión y la solidez en diferentes arquitecturas compuestas. En general, esta sublínea admite la simulación eficiente y realista de componentes compuestos en aplicaciones de alto rendimiento.

Nuevos superelementos adaptados para discontinuidades estructurales

Desarrollo de alta eficiencia computacional en el análisis de estructuras compuestas a gran escala con discontinuidades localizadas, tales como refuerzos, recortes, transiciones laminadas y uniones unidas. Las regiones regulares se modelan utilizando elementos convencionales de viga o vaciado, mientras que las zonas con irregularidades se tratan con formulaciones detalladas de tensión sólida o plana. Para unir estos dominios, desarrolla estrategias de interfaz robustas que permiten un acoplamiento débil entre tipos de modelos, con especial atención a las interfaces laminares con rigidez variable, un sello distintivo de los materiales compuestos. Estos enfoques de modelado híbrido también proporcionan la base para la construcción de superelementos utilizando modelos de orden reducido (ROM), mediante los cuales las representaciones detalladas de zonas irregulares se caracterizan numéricamente y se condensan en nuevas formulaciones de elementos finitos eficientes y personalizadas. El objetivo final es garantizar una integración perfecta con los modelos estándar de vigas y láminas comúnmente utilizados en la industria, facilitando la simulación precisa y eficiente de ensamblajes compuestos complejos.

Integración de técnicas avanzadas de optimización y metodologías de simulación para diseñar materiales y estructuras de próxima generación. Se centra en la topología y las microestructuras y arquitecturas optimizadas para la forma adaptadas a la fabricación aditiva, al tiempo que incorpora restricciones de proceso como el tamaño mínimo de las características, las limitaciones de voladizo y la orientación a la construcción. El modelado detallado de las propiedades anisotrópicas de los materiales de los componentes impresos en 3D garantiza predicciones precisas del rendimiento y diseños robustos y fabricables, lo que permite el avance de materiales de alto rendimiento orientados a la aplicación para diversas industrias.

Modelado anisotrópico y análisis numérico de estructuras impresas en 3D

Modelado preciso y simulación numérica de estructuras compuestas fabricadas mediante procesos aditivos. Debido a la deposición capa por capa y las orientaciones de las fibras inducidas por el proceso, los materiales impresos en 3D exhiben una fuerte anisotropía mecánica y térmica, lo que afecta significativamente su comportamiento estructural y rendimiento. El grupo ha desarrollado una formulación de espacio de mapeo que puede integrarse en cualquier modelo constitutivo para reflejar el comportamiento direccional de resinas y compuestos reforzados con fibras, ya sea con fibras cortas o largas. Permite una simulación precisa de los efectos dependientes del proceso y admite estrategias de diseño sólidas adaptadas a las características específicas de la fabricación aditiva. La herramienta se ha aplicado con éxito al análisis de paneles impresos a gran escala y estructuras complejas como los sistemas kirigami torsionales, lo que permite una predicción confiable del rendimiento y la falla. Estos desarrollos contribuyen a liberar todo el potencial de la fabricación aditiva de compuestos en aplicaciones de alto rendimiento.

Restricciones de fabricación aditiva en la optimización de la topología

Integración de restricciones de fabricación aditiva (AM), como ángulos de voladizo, tamaños mínimos de características, requisitos de conectividad y orientación de construcción, en marcos de optimización de topología y forma. Al incorporar estas restricciones directamente en la etapa de diseño, las geometrías resultantes no solo están optimizadas para el rendimiento mecánico, sino que también se pueden fabricar de forma inherente utilizando tecnologías AM. Este enfoque integrado minimiza la necesidad de posprocesamiento, reduce los riesgos de producción y mejora la confiabilidad de los componentes impresos finales.

Diseño de materiales arquitectónicos, estructuras de celosía y deshomogeneización

Desarrollo de materiales arquitectónicos y estructuras de celosía que están optimizados tanto para el rendimiento mecánico como para la capacidad de fabricación. Se emplean técnicas avanzadas de optimización de la topología, combinadas con estrategias de deshomogeneización, para derivar patrones microestructurales óptimos a partir de los requisitos de diseño a macroescala. Las configuraciones de celosía resultantes se pueden traducir sin problemas en geometrías fabricables, especialmente adecuadas para procesos de fabricación aditiva. Este marco permite el diseño a medida de materiales y estructuras de alto rendimiento, teniendo en cuenta tanto los objetivos funcionales como las limitaciones de producción.

Los modelos de materiales y formulaciones numéricas desarrollados por el grupo CAMMS están disponibles para el diseño, análisis y optimización de estructuras de ingeniería multifuncionales avanzadas. Todas las formulaciones se implementan en códigos de elementos finitos internos con algoritmos que aseguran un costo computacional mínimo, lo que los hace óptimos para la simulación de grandes estructuras. El software resultante se ha utilizado para investigar y proponer nuevas estructuras, fabricadas con materiales avanzados, que puedan cumplir con requisitos de rendimiento específicos en una amplia gama de campos de la ingeniería, incluidos los sectores aeroespacial, aeronáutico, marino, industrial, civil, automotriz y energético.