Estudio numérico-experimental del comportamiento dinámico de un FML de termoplástico auto-reforzado

Abstract

FMLs are hybrid composite materials built up from interlacing layers of thin metals and composites that were created in the aeronautical sector in order to combine the advantages of composites and metals. The main disadvantage of traditional FMLs lies in the long curing process of the matrix. Recently self-reinforced polymer materials have been used as an alternative to the traditional composites employed in FMLs. They provide superior energy absorption capacity and recyclability, among others. Furthermore, these FMLs could show higher damping capacity than traditional FMLs due to the thermoplastic nature of the composite. Additionally, the effect of viscoelasticity is more pronounced in thermoplastic materials, being the frequency one of the most influential factor. Considering the ever increasing demand for lighter vehicles, and based on the advantages mentioned before, self-reinforced thermoplastic based on FMLs may be an alternative to traditional FMLs in sectors such as automotive of land-based transport. Thus, it is considered that the study of the dynamic behaviour of the FMLs based on self-reinforced thermoplastics is of great interest. In this thesis, an experimental and numerical study of the dynamic behaviour of FMLs based on self-reinforced thermoplastics has been carried out. First, the self-reinforced thermoplastics has been characterised considering the orthotropy and the frequency dependence. In this way, the complex Young’s modulus the complex Poisson’s ratio and the complex shear modulus has been characterised. Next, the characterisation of the FML based on the self-reinforced thermoplastic has been carried out and the results have been compared to both traditional FML and aluminium. Finally, the dynamic behaviour of the FML based on self-reinforced thermoplastic has been analysed numerically where afterwards these results have been correlated with the experimental results.

Los laminados fibra-metal (Fibre Metal Laminates, FML) son un material compuesto híbrido que consiste en un laminado formado por varias capas de metal intercaladas con varias capas de material compuesto que surgieron dentro del sector aeronáutico, con el objetivo de combinar las ventajas de composites de matriz polimérica reforzados con tejido por un lado, y de los metales por otro. La principal desventaja de los FMLs tradicionales reside en el largo proceso de curado de la matriz. Como alternativa a los compuestos empleados en dichos FMLs, recientemente se han empezado a usar termoplásticos autoreforzados, los cuales ofrecen mejores propiedades en lo que a capacidad de absorción de energía frente a impactos y capacidad de reciclaje, entre otros, se refiere. Además, estos FMLs podrían presentar mayor amortiguamiento que los FMLs tradicionales, debido a la naturaleza termoplástica del compuesto. Por otro lado, el efecto de la viscoelasticidad es más acusado en termoplásticos siendo la frecuencia uno de los factores más influyentes. Considerando la creciente demanda de vehículos más ligeros y basándose en las ventajas citadas previamente, los FMLs de termoplásticos auto-reforzados pueden ser una alternativa a los FMLs tradicionales en sectores como la automoción o ferroviario. Por lo que se considera que el estudio del comportamiento dinámico de los FMLs basados en termoplásticos auto-reforzados es de gran interés. Así, en esta tesis se ha llevado a cabo un estudio, tanto de forma experimental como numérica, del comportamiento dinámico de un FML de termoplástico auto-reforzado. En primer lugar, se ha realizado la caracterización del termoplástico auto-reforzado considerando su ortotropía y la dependencia con la frecuencia. De esta manera, se han caracterizado el módulo de Young complejo, el coeficiente de Poisson complejo y el módulo de cortadura complejo, en función de la frecuencia. A continuación, se ha llevado a cabo la caracterización del FML formado por dicho compuesto, donde los resultados se han comparado con los de un FML tradicional y el material de referencia, en este caso el aluminio. Por último, se ha realizado la simulación numérica del comportamiento dinámico del FML de termoplástico auto-reforzado, donde posteriormente se ha analizado la correlación con los resultados experimentales.

Zuntz-metal laminatuak (Fibre Metal Laminates, FML), material konposatu eta metal laminak tartekatuz osatutako laminatuak dira, material konposatu eta metalek eskaintzen dituzten abantailak konbinatzeko helburuarekin aeronautika sektorean sortuak. FML hauen desabantaila nagusia, material konposatuaren matrizeak behar duen kuratze prozesu luzea da. FML tradizionaletan erabiltzen diren material konposatuen alternatiba gisa, azken urte hauetan termoplastiko auto-indartuak erabiltzeari ekin zaio, izan ere absortzio gaitasun eta birziklagarritasun hobea baitute, besteak beste. Bestalde, FML hauek moteltze gaitasun handiagoa eskaintzea posible izango litzateke, bertako material konposatuaren izaera termoplastikoagatik. Horretaz gain, biskoelastizitate efektua nabarmenagoa da material termoplastikoetan, frekuentzia izanik eragin handienetako faktore bat. Gero eta ibilgailu arinagoen eskaera kontsideratuz eta aurrez azaldutako abantailak kontuan izanik, termoplastiko auto-indartuz osatutako FML-ak FML tradizionalen alternatiba izan daitezke automobilgintzan edo tren-industrian. Hau dela eta, termoplastiko auto-indartuz egindako FML-aren portaera dinamikoa aztertzea interes handikoa dela kontsideratu da. Horregatik, tesi honetan termoplastiko auto-indartuz osatutako FML-en portaera dinamikoa aztertu da bai modu esperimentalean bai modu numerikoan ere. Lehenengo eta behin, termoplastiko auto-indartuaren karakterizazioa egin da bere ortotropia eta frekuentziarekiko menpekotasuna kontuan hartuta. Horrela, Young-en modulu konplexua, Poisson-en koefiziente konplexua eta ebakidura modulu konplexua karakterizatu dira, frekuentziaren eragina kontuan izanik. Jarraian, termoplastiko autoindartuarekin osatutako FML-a karakterizatu da, non lortutako emaitzak FML tradizional batenarekin eta aluminioarenarekin alderatu diren. Azkenik, termoplastiko auto-indartuz osatutako FML-aren portaera dinamikoaren simulazio numerikoa egin da eta ondoren emaitza hauek esperimentalki lortutakoekin korrelatu dira.