Análisis experimental y numérico de reparaciones adhesivas de laminados delgados

Mención Internacional en el título de doctorIn recent decades, the use of composite materials has increased in different sectors of the industry, such as aeronautical and aerospace areas, because of their excellent properties and the reduction in weight that they entail compared to traditional materials. Aircrafts can suffer damage during its service life, so the repair of the damaged components can be considered of interest due to its large size and high level of integration. Among the different repair techniques, adhesive repairs are the only which can be applicated on thin laminates. The objective of a structural repair is to restore the strength of the damaged component. Moreover, the repair must avoid changes in the overall stiffness of the structure, guaranteeing a correct load transfer. The behaviour of composite adhesively-bonded repairs depends on a large number of parameters, so that the performance of an exclusively experimental study would involve high temporal and economic costs. On the other hand, analytical models can be used to analyse the problems in global terms without studying the influence of different parameters in detail. In this PhD Thesis the study of the behaviour of composite patch repairs applied on thin laminates subjected to uniaxial tensile loads under static and dynamic conditions is proposed. A three-dimensional numerical model using the finite-element code Abaqus has been developed to reproduce its response. As a first approach to the analysis of structural repairs, bonded joints were analysed, going into detail about the adhesive response. A progressive damage model using the Cohesive Zone Model formulation to predict the damage onset and its propagation was used to define the adhesive behaviour. This model was validated considering results from the literature for singlelap joints. The influence of geometric and numerical parameters on the joint response were analysed. The numerical model was extended to define the adhesively-bonded repair behaviour. A user subroutine based on Hashin criteria to reproduce the composite laminate behaviour, together with the adhesive damage model validated previously, was developed to study the repair behaviour. Experimental tests under static and dynamic conditions, considering different specimen configurations, were carried out to validate the numerical model. Moreover, experimental tests on undamaged and open-hole laminates were carried out to evaluate the efficiency of the repairs. The numerical model was used to analyse the influence of the repair configuration (singleor double-lap), overlap length, adhesive thickness, patch stacking sequence, patch geometry and strain rate dependence on the repair behaviour.En las ultimas décadas, el uso de materiales compuestos se ha visto incrementado en diferentes sectores de la industria, entre los que destacan el aeronáutico y aeroespacial, debido a sus excelentes propiedades mecánicas y la reducción de peso que suponen frente a los materiales tradicionales. Las aeronaves pueden sufrir danos durante su vida en servicio, por lo que la reparación de los componentes afectados resulta de especial interés debido al alto nivel de integración y elevado tamaño de los mismos. Entre las diferentes técnicas de reparación existentes aplicables a laminados delgados, destacan las reparaciones adhesivas. El objetivo principal de una reparación estructural es restaurar la resistencia del componente dañado a la de su estado previo al daño. De la misma forma, debe evitar cambios en la rigidez global de la estructura, garantizando una correcta transferencia de carga. El comportamiento de las reparaciones adhesivas de material compuesto depende de un elevado numero de parámetros, por lo que la realización de un estudio exclusivamente experimental supondría un elevado coste temporal y económico. Por otra, los modelos analíticos permiten el estudio del problema planteado en términos globales, pero sin llegar a contemplar en detalle la influencia de las diferentes variables. En la presente Tesis Doctoral se analiza el comportamiento de reparaciones adhesivas estructurales de tipo parche externo sobre laminados delgados fabricados con material compuesto sometidas a esfuerzos de tracción uniaxial en condiciones estáticas y dinámicas. Para ello, se ha desarrollado un modelo numérico tridimensional empleando el código comercial de elementos finitos Aboqus, el cual permite predecir la respuesta de este tipo de reparaciones. Como primera aproximación al estudio de reparaciones adhesivas se ha llevado un análisis sobre uniones adhesivas que ha permitido profundizar en el comportamiento del adhesivo. Se ha empleado un modelo de daño progresivo basado en la formulación de los Modelos de Zona Cohesivos, capaz de predecir el inicio del daño y su evolución. Este modelo se ha validado con resultados disponibles en la literatura de uniones adhesivas y se ha empleado para analizar la influencia de parámetros relativos al modelo y de parámetros geométricos sobre la respuesta a tracción uniáxica en condiciones estáticas. Una vez validado el modelo de comportamiento del adhesivo, se ha extendido al comportamiento de reparaciones adhesivas sometidas a un mismo estado de cargas en condiciones estáticas y dinámicas. El comportamiento del laminado de material compuesto se ha definido mediante una subrutina de usuario basada en el criterio de daño de Hashin. Con el objetivo de validarlo se han realizado ensayos experimentales a tracción uniaxial en condiciones estáticas y dinámicas sobre probetas reparadas considerando diferentes configuraciones. A su vez, se han realizado ensayos sobre probetas de laminados intactos y con agujero, el cual representa el saneamiento del daño, con el objetivo de evaluar la eficiencia de las reparaciones. El modelo numérico se ha empleado para analizar la influencia sobre el comportamiento de las reparaciones adhesivas de diversos parámetros como la configuración de la reparación, la longitud de solape, el espesor del adhesivo, la secuencia de apilamiento del parche, la geometría del parche y la velocidad de aplicación de la carga.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización IndustrialPresidente: Carlos Navarro Ugena.- Secretario: Elena Correa Montoto.- Vocal: Francisca Martínez Herguet