Modelling the mechanical behavior of biodegradable composites: low-velocity impact and buckling problems

Mención Internacional en el título de doctorIndustrial materials are constantly evolving to enhance the specifications of the final product, reduce manufacturing costs, or comply with new regulations established by authorities that force the usage of recyclable and reusable materials to reduce the creation of solid waste. In recent years, research into new biodegradable materials has experienced a remarkable expansion thanks to the increasing use of natural resources in industries, such as natural fibers and bioplastics. Moreover, such green composites are usually sourced in developing countries. If natural fibers can finally extend to more industrial areas, it may be a benign stimulus to their economic development. This thesis mainly contributes to analyzing and modeling energy-absorbent structures made of biodegradable composites and studying their mechanical behavior under low-velocity impact tests and buckling loads. Four types of green composite bumper beams with different cross-sections were manufactured, tested, and compared. Each type of bumper beam was tested in a drop-weight tower to evaluate the impact performance, and the post-impact behavior was studied through a quasi-static bending test. The analysis of the impact behavior revealed that the higher the roundness of the cross-section, the best the impact performance. On the other hand, the intermediate design bumper beam showed the best after-impact residual mechanical properties. Thus, the results indicate that the choice of the cross-section depends on whether the goal is to maximize the impact performance or the post-impact residual properties of the bumper structure. A numerical model was developed in Abaqus/Explicit to reproduce the impact performance of the four green composite bumper beams and to analyze the damage evolution and the energy-absorption mechanisms of the structures as a function of the impact energy and cross-section roundness. The numerical results showed excellent agreement with the experimental data. The model could predict the damage behavior of the structure from localized damage to complete failure under different impact energies. Moreover, the damage evolution showed that the delamination appears initially in the section corners and then spreads further. It implies that delaminations are more prone to propagate through the entire cross-section and more prematurely for rounder types. The squarest cross-section was the bumper beam with the highest energy-absorption capability, and the roundest one presented the lowest energy-absorption capability. In this doctoral dissertation, the nonlinear elastic constitutive law, modified Ludwick formulation, was experimentally validated for the first time. The buckling response of slender columns made of flax/PLA green composites was studied through three approaches. As a result, a reasonable agreement was found between the experimental results, numerical predictions, and theoretical estimations. Then, the modified Ludwick’s law was considered experimentally validated as a theoretical method to predict the critical buckling load of nonlinear elastic columns. However, the numerical approach using the Marlow hyperelastic model needed to show more accuracy when the nonlinearity of the material was relatively large. Therefore, validating the theoretical results with the numerical model should always be considered carefully. Lastly, the influence of the column cross-section was also analyzed. The FEM model could exactly reproduce the buckling mode of all the cases, but the prediction errors of critical buckling load for columns with low slenderness ratios were considerable. On the other hand, columns with a slenderness ratio of about 170 were the limit of application of the modified Ludwick’s law to predict the critical buckling load of nonlinear elastic columns with open cross-sections, and columns with a ratio between 48 and 52 were out of prediction limits. Generally, the numerical and theoretical models underestimated the scattering effects of the predictions because the models did not consider more experimental variables. Especially in the analytical model, lateral torsional buckling should be included in the formulation to predict the buckling load of the nonlinear elastic column correctly.Los materiales industriales evolucionan constantemente para mejorar las especificaciones del producto final, reducir los costos de fabricación o cumplir con las nuevas regulaciones establecidas por las autoridades que obligan al uso de materiales reciclables y reutilizables para reducir la generación de desechos sólidos. En los últimos años, la investigación de nuevos materiales biodegradables ha experimentado una notable expansión gracias al creciente uso de recursos naturales en las industrias, como las fibras naturales y los bioplásticos. Además, estos materiales compuestos ecológicos suelen obtenerse en países en desarrollo. Si las fibras naturales finalmente pueden extenderse a más áreas industriales, puede ser un estímulo benigno para su desarrollo económico. Esta tesis contribuye principalmente al análisis y modelado de estructuras absorbentes de energía fabricadas con materiales compuestos biodegradables y al estudio de su comportamiento mecánico bajo ensayos de impacto a baja velocidad y su resistencia a pandeo. Se fabricaron, ensayaron y compararon cuatro tipos de vigas de parachoques de materiales compuestos verdes con diferentes secciones transversales. Cada tipo de viga parachoques se probó en una torre de caída de peso para evaluar el comportamiento frente a impacto, y el comportamiento después de impacto se estudió a través de ensayos de flexión cuasi-estática. El análisis del comportamiento frente a impacto reveló que cuanto mayor es la redondez de la sección transversal, mejor es el rendimiento. Por otro lado, la viga parachoques de diseño intermedio mostró las mejores propiedades mecánicas residuales después del impacto. Por lo tanto, los resultados indican que la elección de la sección transversal depende de si el objetivo es maximizar el comportamiento frente a impacto o las propiedades residuales después de impacto. Se desarrolló un modelo numérico en Abaqus/Explicit para reproducir el impacto de las cuatro vigas de parachoques de materiales compuestos biodegradables y para analizar la evolución del daño y los mecanismos de absorción de energía de las estructuras en función de la energía de impacto y la redondez de la sección transversal. Los resultados numéricos mostraron una excelente concordancia con los datos experimentales. El modelo podría predecir el comportamiento de la estructura desde daño localizado hasta rotura completa bajo diferentes energías de impacto. Además, la evolución del daño mostró que la delaminación se manifiesta inicialmente en las esquinas de la sección y luego se extiende a partir de esos puntos. Esto implica que las delaminaciones son más propensas a propagarse a través de toda la sección transversal y más prematuramente para los tipos más redondos. La sección transversal más cuadrada fue la viga parachoques con la capacidad de absorción de energía más alta, y la más redonda presentó la capacidad de absorción de energía más baja. En esta tesis doctoral, se validó experimentalmente por primera vez la ley constitutiva elástica no lineal, formulación de Ludwick modificada. La respuesta de pandeo de columnas esbeltas hechas de materiales compuestos biodegradables de lino/PLA se estudió a través de tres enfoques. Como resultado, se encontró una concordancia razonable entre los resultados experimentales, las predicciones numéricas y las estimaciones teóricas. Por lo tanto, la ley de Ludwick modificada se consideró validada experimentalmente como un método teórico para predecir la carga crítica de pandeo de columnas elásticas no lineales. Sin embargo, el enfoque numérico que usaba el modelo hiperelástico de Marlow perdía precisión cuando la no linealidad del material era relativamente grande. Por lo tanto, la validación de los resultados teóricos con modelos numéricos siempre debe considerarse cuidadosamente. Por último, también se analizó la influencia de la sección transversal de la columna. El modelo numérico pudo reproducir exactamente el modo de pandeo de todos los casos, pero los errores de predicción de la carga crítica de pandeo para columnas con bajas relaciones de esbeltez fueron considerables. Por otro lado, las columnas con una relación de esbeltez de alrededor de 170 fueron el límite de aplicación de la ley de Ludwick modificada para predecir la carga crítica de pandeo de columnas elásticas no lineales con secciones transversales abiertas, y las columnas con una relación entre 48 y 52 quedaron fuera de los límites de la predicción. Generalmente, los modelos numéricos y teóricos subestimaron los efectos de dispersión de las predicciones porque los modelos no consideraron todas las variables experimentales. Especialmente en el modelo analítico, el pandeo lateral-torsional debe ser incluido en la formulación para poder predecir correctamente la carga de pandeo de la columna elástica no lineal.Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Ramón Eulalio Zaera Polo.- Secretario: Mario Domingo Monzón Verona.- Vocal: Samuel Charca Maman