Mechanical behavior of nonwoven felts

Los fieltros son materiales fabricados a partir de agrupaciones desordenadas de fibras que se consolidan mediante enlaces de distintos tipos. Durante los últimos años las aplicaciones industriales de estos materiales han experimentado un rápido crecimiento gracias a la incorporación de nuevas fibras y procedimientos de consolidación. Con el propósito de tener una mayor perspectiva, en este estudio se han elegido dos fieltros distintos. El primero de ellos es un fieltro de fibra de vidrio unido por un adhesivo orgánico en las intersecciones entre haces de fibras. El segundo es un geotextil comercial compuesto de fibra continua de polipropileno consolidado por unión térmica. Los micromecanismos de deformación y daño del fieltro de fibra de vidrio se analizaron mediante una combinación de experimentos y simulaciones numéricas. Se llevaron a cabo ensayos mecánicos a tracción sobre muestras rectangulares con y sin entalla para estudiar los fenómenos físicos que controlan el desarrollo del daño. Como resultado, se ha encontrado que la fractura comenzaba en los enlaces entre haces de fibras, continuaba con el deslizamiento entre haces y que conllevaba a la localización del daño en una franja relativamente ancha. El comportamiento mecánico del fieltro hasta fractura se modeló mediante la simulación por elementos finitos de una red bidimensional aleatoria de fibras donde las características geométricas de la red y las propiedades constitutivas fueron obtenidas de los experimentos sobre el fieltro real. Siguiendo las observaciones experimentales, el modelo incluía la rotura por decohesión entre haces y la disipación de energía por rozamiento entre ellos. Los resultados de las simulaciones mostraron un buen acuerdo con los experimentos tanto en su respuesta macroscópica como en los mecanismos microscópicos. Las simulaciones contribuyeron a explicar algunas de las características particulares de los datos experimentales, incluyendo el efecto de las dimensiones de las probetas sobre la resistencia, así como el comportamiento insensible a entalla que presenta el material. Además, se utilizó el modelo numérico para investigar en este material el patrón de localización del daño bajo solicitación biaxial y uniaxial en ejes mutuamente transversales. Se averiguó que la localización de la grieta en los fieltros estaba controlada por la máxima tensión normal aplicada independientemente del camino de carga. La sensibilidad a entalla de los fieltros era limitada y la presencia de una entalla no modificaba la trayectoria de la grieta. Análogamente, se procedió a analizar los mecanismos de deformación y fractura del geotextil de polipropileno en una amplia gama de velocidades de deformación. Se consideraron dos casos (probetas entalladas y no entalladas) para comprobar cómo se modifican dichos mecanismos en presencia de concentración de tensiones. El fieltro de polipropileno presentaba una gran deformabilidad y capacidad de absorción de energía, que disminuía con la velocidad de deformación, así como una considerable resistencia, que a su vez aumentaba con la velocidad de deformación. El material mostraba un comportamiento insensible a entalla al disminuir la concentración de tensiones en la punta de la grieta por un gran enromamiento causado por un fenómeno de reacomodación de las fibras. Se utilizaron diversas técnicas experimentales para establecer la secuencia de procesos de deformación y fallo y relacionar estos micromecanismos con el comportamiento macroscópico. Al contrario que en el caso del fieltro de fibra de vidrio, la alta densidad del geotextil de polipropileno no permite el modelado completo de la microestructura del fieltro. Para afrontar el problema, se presenta un modelo constitutivo para el comportamiento mecánico. El modelo está basado en el método de los elementos finitos y proporciona la respuesta constitutiva de un mesodominio del material que se corresponde con el área de un elemento finito. El modelo se construye sobre tres bloques básicos: el tejido, las fibras y el daño introducido. La formulación tensorial de la respuesta del tejido tiene en cuenta con rigor el efecto de rotación de las fibras e incluye el comportamiento no lineal de las fibras. A su vez, los distintos mecanismos de daño observados experimentalmente se introducen de un modo fenomenológico. Asimismo, la naturaleza aleatoria de los fieltros entra en el modelo mediante un método de Monte Carlo que determina los umbrales de daño. Los resultados del modelo se validan con los resultados experimentales de los ensayos de tracción sobre probetas sin y con entalla descritos en los apartados anteriores. Nonwoven felts are materials manufactured from a set of disordered fibers consolidated by bonds of different nature depending on the particular material or processing technique. The industrial applications of these materials have grown very rapidly in recent years with the incorporation of new fibers and consolidation processes. In order to gain a wider perspective of this materials, two different modern nonwovens were selected for this study. The first was a mat composed of glass fiber bundles connected at the cross point through an organic binder. The second one is a commercially available geotextile made of thermally consolidated polypropylene fibers. The deformation and damage micromechanisms of the glass-fiber non-woven felt were analyzed with a combination of experiments and simulations. Tensile tests were carried out on unnotched and notched rectangular panels to ascertain the physical phenomena which control the development of damage. It was found that fracture began by interbundle bond fracture followed by frictional sliding between bundles, leading to the localization of damage in a wide band. The mechanical behavior of the non-woven felt until final fracture was modeled by the finite element simulation of a 2D random network in which the geometric characteristics of the network and the constituent properties were obtained from experiments on the actual non-woven felt. Following the previous experimental observations, fracture by interbundle decohesion and energy dissipation by frictional sliding between the bundles were included in the model. The simulation results were in very good agreement with the experiments in terms of the macroscopic response and of the microscopic mechanisms. They contributed to explain different features of the experimental data, including the effect of specimen dimensions on the strength and the notch-insensitive behavior of the material. Additionally, the numerical model was used to study the pattern of damage localization and fracture under uniaxial and biaxial tension in this material. It was found that the failure path in these materials was controlled by the maximum applied normal stress, regardless of the loading path. Analogously, the micromechanisms of deformation and fracture in tension were analyzed for the polypropylene nonwoven geotextile material in a wide range of strain rates. Two different loading scenarios (smooth and notched specimens) were considered to study how these mechanisms are modified in presence of a stress concentration. The nonwoven fabric presented significant deformability and energy-absorption capability, which decreased with the strain rate, together with a high level of strength, which increased with strain rate. In addition, the material was notch-insensitive as the stress concentration around the crack tip was relieved by marked non-linear behavior, which induced crack blunting. Different experimental techniques were used to establish the sequence of deformation and failure processes and to link these micromechanisms with the macroscopic behavior. The high density of the polypropylene geotextile does not allow a full modeling of the felt microstructure. To address this problem, a constitutive model is presented for the in-plane mechanical behavior of the fabric. The model is developed within the context of the finite element method and provides the constitutive response for a mesodomain of the fabric corresponding to the area associated to a finite element. The model is built upon the ensemble of three blocks, namely fabric, fibers and damage. The continuum tensorial formulation of the fabric response takes rigorously into account the effect of fiber rotation for large strains and includes the non-linear fiber behavior. In addition, the various damage mechanisms experimentally observed (bond and fiber fracture, interfiber friction and fiber pull-out) are included in a phenomenological way and the random nature of these materials is also taken into account by means of a Monte Carlo lottery to determine the damage thresholds. The model results are validated with the experimental results on the tensile response of smooth and notched specimens of the polypropylene nonwoven fabric described in the previous sections