http://hdl.handle.net/10256/4389 2025-08-10T20:09:22Z 2025-08-10T20:09:22Z Daniel, Pierre M. http://hdl.handle.net/10256/26996 2025-07-16T07:53:47Z 2025-04-28T00:00:00Z

A strategy for efficient modelling of composite delamination in large structures Daniel, Pierre M. ENG- Delamination, the separation of composite laminate layers, is a major issue in industries using fibre-reinforced polymers, such as airliners, automobiles and wind turbines. While existing numerical models can accurately simulate delamination, their high computational cost limits large-scale applications. Traditional modelling uses a layerwise approach with fine refinements, increasing computational demand. This research presents a more efficient strategy using an adaptive framework. The model starts with a single element for the laminate’s thickness, adding refinements only where delamination occurs. This approach reduces unnecessary computational effort. A key challenge is detecting the onset of delamination in unrefined models. To address this, a new method reconstructs out-of-plane stresses across the laminate thickness, which is initially modelled with a single element. Once a crack is introduced adaptively, its growth must be modelled using large elements (e.g. 5 mm). An energy-based criterion (Virtual Crack Closure Technique) is coupled to a novel cohesive law modelling the crack advancement while dissipating the fracture energy. A new algorithm extends the energy-based growth criterion to distorted meshes and enables the modelling of complex delamination fronts. Used separately in industry, the stress reconstruction method helps identify high-stress regions in large structures for more detailed analysis, while the energy-based cohesive model enables fast damage tolerance assessments. When combined, these innovations form a novel modelling strategy tailored for large structures. A proof-of-concept test demonstrates that the computational cost is drastically reduced while maintaining accuracy. This research benefits industries relying on composite structures. In aerospace, faster delamination modelling reduces development costs. In automotive applications, it supports the adoption of lightweight composites, improving the energy efficiency of the vehicles. For these reasons, this thesis contributes to the energy transition towards lower greenhouse gas emissions; CAT- La deslaminació, la separació de les capes d'un laminat compost, és un problema important en indústries que utilitzen polímers reforçats amb fibra, com l'aeronàutica, l'automoció i les turbines eòliques. Tot i que els models numèrics existents poden simular amb precisió la deslaminació, el seu alt cost computacional en limita l'aplicació a gran escala. Els mètodes de simulació tradicionals utilitzen un enfocament per capes amb refinaments fins, fet que augmenta la demanda computacional. Aquesta investigació presenta una estratègia més eficient mitjançant un marc adaptatiu. El model comença amb un sol element per al gruix del laminat i afegeix refinaments només allà on es produeix la deslaminació. Aquest enfocament redueix l'esforç computacional innecessari. Un dels principals reptes és detectar l'inici de la deslaminació en models no refinats. Per abordar aquesta qüestió, es proposa un nou mètode que reconstrueix les tensions fora del pla al llarg del gruix del laminat, inicialment simulat amb un sol element. Un cop s'introdueix una esquerda de manera adaptativa, el seu creixement s'ha de simular amb elements grans (per exemple, 5 mm). Un criteri basat en l'energia (tècnica del tancament virtual de l’esquerda del anglès Virtual Crack Closure Technique) es combina amb una nova llei cohesiva per simular la propagació de l'esquerda mentre es dissipa l’energia de fractura. Un nou algorisme amplia el criteri de creixement basat en l'energia a malles distorsionades i permet simular fronts de deslaminació complexos. Utilitzats per separat en la indústria, el mètode de reconstrucció de tensions ajuda a identificar les regions d'alta tensió en estructures grans per a una anàlisi més detallada, mentre que el model cohesiu basat en energia permet avaluacions ràpides de la tolerància als danys. Quan es combinen, aquestes innovacions formen una estratègia de simulació nova adaptada a estructures de gran escala. Una prova de concepte demostra que el cost computacional es redueix dràsticament mentre es manté la precisió. Aquesta investigació beneficia les indústries que dissenyen estructures de materials compostos. En el sector aeroespacial, la simulació més ràpida de la deslaminació redueix els costos de desenvolupament. En aplicacions d'automoció, facilita l'adopció de materials compostos lleugers, millorant l'eficiència energètica dels vehicles. Per aquestes raons, aquesta tesis contribueix a la transició cap a una reducció de les emissions de gasos amb efecte d'hivernacle

2025-04-28T00:00:00Z Casanova Batlle, Enric http://hdl.handle.net/10256/26543 2025-07-29T11:45:27Z 2025-01-27T00:00:00Z

Integrated strategies for improved bioresorbable stents with silk: characterization, fabrication, and composite integration Casanova Batlle, Enric ENG- This doctoral thesis explores the creation of next-generation bioresorbable stents (BRS) using an advanced manufacturing technology known as Direct Ink Writing (DIW). This technique enables the printing of a wide variety of biomaterials in the form of pastes or inks, offering high versatility and significant potential for developing medical devices for healthcare and tissue engineering. The research begins with an analysis of current trends in additive manufacturing and a review of DIW technologies, highlighting the challenges that traditional BRS still face. In this context, the study investigates the use of innovative materials like silk fibroin (SF), a protein derived from the silk of the Bombyx mori silkworm. SF offers high mechanical properties and biocompatibility, being a natural polymer. The thesis delves into creating SF inks suitable for DIW, showing a way for manufacturing stents with natural materials that improve biocompatibility and can be absorbed by the body over time. The study also examines the use of other materials, such as polyvinyl alcohol (PVA)-based inks, a polymer known for its flexibility and suitability for hydrogel manufacturing. Some of these hydrogels have already been successfully used in other medical devices, reinforcing the interest in developing a suitable environment for BRS using this material. Therefore, the thesis proposes the fabrication of multi-material stents combining PVA and SF to enhance the mechanical properties and biocompatibility of the device. These polymers work in a complementary manner: PVA provides flexibility and stability, while SF offers mechanical strength and biocompatibility. Finally, the technique of electrospinning (ES) is incorporated, a method that creates micrometric-diameter polymer fibers. This approach enables the application of a coating to the stent with a drug-releasing layer. This coating facilitates a controlled release of medications, helping reduce the risk of complications after stent implantation. Additionally, the large number of fibers increases the drug's contact surface, improving efficiency compared to traditional methods, where the drug is encapsulated in the stent's core and released gradually as it degrades. This thesis provides a relevant contribution to the field of medical devices by offering new alternatives for BRS fabrication with innovative and promising techniques, opening new possibilities for treating cardiovascular diseases; CAT- Aquesta tesi doctoral explora la creació de stents bioresorbibles de nova generació (BRS) mitjançant una tecnologia de fabricació avançada coneguda com a escriptura directa de tinta (DIW). Aquesta tècnica permet imprimir amb una amplia varietat de biomaterials en forma de pastes o tintes, destacant per la seva gran versatilitat i potencial en la creació de dispositius mèdics per a la cura de la salut i la enginyeria de teixits. La recerca s'inicia amb una anàlisi de les tendències actuals en fabricació additiva i una revisió de les tecnologies DIW, ressaltant els reptes que encara presenten els BRS tradicionals. En aquest context, s'ha investigat l'ús de materials innovadors com la fibroïna de seda (FS), una proteïna derivada del cuc de seda (Bombyx mori), que ofereix elevades propietats mecàniques i una biocompatibilitat destacable, essent un polímer natural. La tesi aprofundeix en la creació de tintes de FS adequades per a DIW, fet que obre noves vies per fabricar stents amb materials naturals que millorin la biocompatibilitat i que es puguin reabsorbir amb el temps. També s’analitza l'ús d'altres materials, com les tintes basades en alcohol polivinílic (PVA), un polímer que aporta flexibilitat i és adequat per a la fabricació d'hidrogels. Alguns d'aquests hidrogels ja han estat utilitzats amb èxit en altres dispositius mèdics, fet que reforça l’interès en crear un entorn adequat per a BRS amb aquest material. Així, es proposa la fabricació de stents multimaterials que combinen PVA i FS, amb l'objectiu de millorar les propietats mecàniques i la biocompatibilitat del dispositiu. Aquests polímers es complementen de manera òptima: el PVA ofereix flexibilitat i estabilitat, mentre que la FS proporciona resistència mecànica i biocompatibilitat. Finalment, s'incorpora la tècnica de l’electrospinning (ES), un mètode que permet crear fibres de polímer de diàmetre micromètric. Aquesta tècnica possibilita l’aplicació d'un recobriment a l'stent amb una capa alliberadora de fàrmacs. Aquest recobriment facilita una alliberació controlada de medicaments, ajudant a reduir el risc de complicacions després de la implantació del stent. A més, la presència d’un gran nombre de fibres augmenta la superfície de contacte del fàrmac, millorant l'eficàcia respecte als mètodes tradicionals, on el fàrmac es troba encapsulat en el nucli del stent i depèn de la seva degradació per ser alliberat. Aquesta tesi suposa una contribució rellevant al camp dels dispositius mèdics en oferir noves alternatives per a la fabricació de BRS amb tècniques innovadores i prometedores, obrint noves possibilitats en el tractament de les malalties cardiovasculars

2025-01-27T00:00:00Z Leciñana Arregui, Iñaki http://hdl.handle.net/10256/25945 2025-05-06T10:27:10Z 2024-11-07T00:00:00Z

Novel methodology for predicting delamination in 3D composite structures under multiple loading conditions and large process zones Leciñana Arregui, Iñaki ENG- The overall objective of this thesis is to provide a tool for predicting delamination in composite materials under different static and fatigue loading conditions in 3D structures. The methodology is intended to be a practical guide for industry, providing a flexible tool capable of predicting the delamination behaviour of new polymeric materials in an agile manner. A review of the state of the art has shown that there is still some missing link between the physics responsible for delamination and the state of the art models, especially for materials with large delamination process zones. There is also a lack of validation tests that challenge the delamination predictions under different loading conditions in 3D structures. This work contributes to the field of delamination characterisation in composites with large process zones and builds a modelling and simulation strategy capable of predicting delamination in composites with large process zones. A comprehensive validation of the delamination prediction is also presented. For delamination characterization, test procedures and data reduction methods that are suitable for characterizing the delamination properties are summarized and the most suitable techniques for characterizing large process zones are discussed and selected. For the modelling and simulation strategy, the Cohesive Zone Modeling (CZM) approach is selected to predict the delamination behavior. State-of-the-art static and fatigue CZM models are used as the core of the simulation strategy, while novel developments are integrated, aimed at linking the simulation approach with the physics of the delamination observed experimentally. To validate the modelling and simulation strategy, a novel delamination benchmark test concept for composite materials that allows non-straight crack fronts and non-self-similar delamination in characterization specimens under complex loading conditions is presented. As validation of the modelling and simulation strategy, a blind simulation of the benchmark test is proposed to evaluate the predictive capabilities of the methodology. Finally, the proposed methodology is exemplified by a case study illustrating the application of the methodology to a real composite material with a large process zone. The material used in the case study is the AS4D/PEKK-FC thermoplastic composite, exhibiting large delamination process zones; CAT- L'objectiu general d'aquesta tesi és proporcionar una eina per a la predicció de la delaminació en materials compostos sota diferents condicions de càrrega estática i de fatiga en estructures 3D. La metodologia pretén ser una guia pràctica per a la indústria, proporcionant una eina flexible capaç de determinar la forma ágil el comportament de la desminació de nous materials polimèrics. Una revisió de l'estat de l'art ha puesto de manifiesta que encara falta algun eslabó entre la física responsable de la delaminació i els models de l'estat de l'art, especialment per als materials amb grans zones de procés de delaminació. També faltan assaigs de validació que han posat a prova les prediccions de delaminació sota diferents condicions de càrrega en estructures 3D. Aquest treball contribueix al camp de la caracterització de la delaminació en materials compostos amb grans zones de procés i construye una estratègia de modelització i simulació capaç de determinar la delaminació en materials compostos amb grans zones de procés. També es presenta una validació exhaustiva de la predicció de la delaminació. Per a la caracterització de la delaminació, es reprèn els procediments d'assaig i els mètodes de reducció de dades adequats per caracteritzar les propietats de la delaminació i discutir i seleccionar les tècniques més adequades per caracteritzar grans zones del procés. Per a l'estratègia de modelització i simulació, seleccioneu l'enfocament de modelització de zones cohesives (CZM) per determinar el comportament de la delaminació. S'utilitzen models CZM estàtics i de fatiga d'última generació com a nucli de l'estratègia de simulació, al temps que s'integren desenvolupaments nous, destinats a vincular l'enfocament de simulació amb la física de la delaminació observada experimentalment. Per validar l'estratègia de modelització i simulació, es presenta un nou concepte d'assaig de referència de delaminació per a materials compostos que permeten fronts de grieta no rectos i delaminación no autosimilar en probes de caracterització sota condicions de càrrega compleja. Com a validació de l'estratègia de modelització i simulació, es proposa una simulació ciega de l'assaig de referència per avaluar la capacitat predictiva de la metodologia. Per últim, la metodología proposta s'exemplifica amb un cas pràctic que il·lustra l'aplicació de la metodologia a un material compost real amb una àmplia zona de procés. El material utilitzat en el cas d'estudi és el compost termoplástico AS4D/PEKK-FC, que presenta grans zones de procés de deslaminació

2024-11-07T00:00:00Z Codina Le Boudal, Alba http://hdl.handle.net/10256/25593 2025-07-16T10:35:49Z 2024-07-16T00:00:00Z

Study of debonding in CFRP-strengthened beams and contribution of anchorage systems Codina Le Boudal, Alba The rehabilitation of buildings and infrastructure has gained importance in recent decades. Carbon Fiber-Reinforced Polymers (CFRP) are effective for strengthening Reinforced Concrete (RC) structures due to their mechanical strength, corrosion resistance, and lightweight properties. The Externally Bonded (EB) method, known for its ease of installation and effectiveness, improves the performance of RC structures. However, flexural reinforcement often leads to premature debonding of the FRP from the concrete, limiting the use of FRP properties. To address Intermediate Crack Debonding (ICD), several predictive approaches have been developed, though they impose strict strain limits on FRP. To mitigate premature debonding in EB-FRP strengthened flexural members, anchorage of the CFRP laminate has been a focus of investigation. Effective techniques such as Externally Bonded Reinforcement on Grooves (EBROG) and Hybrid Bonding (HB)-FRP have shown promise. However, experimental and analytical/numerical studies in this area remain limited, indicating the need for further research. This thesis investigates ICD in EB-FRP strengthened RC beams from theoretical and experimental perspectives. It analyses formulations from the literature and compares theoretical predictions with four-point bending test results on RC beams with varying concrete strengths and steel reinforcement ratios. The study includes an experimental database of 68 RC beams, showing that models predict ICD failure modes accurately. The effectiveness of Externally Bonded Reinforcement on Grooves (EBROG) and Hybrid Bonding (HB)-FRP methods in preventing ICD is examined through bond and flexural tests. Results indicate that both methods enhance the performance of EB-FRP, although existing prediction models underestimate the bending capacity for EBROG. A numerical model is developed to simulate ICD for various bond-slip laws, applicable to different strengthening techniques. This model determines the maximum tensile force the FRP laminate can effectively transfer between two consecutive cracks, addressing the excessive tensile forces between cracks that lead to ICD failure. This maximum force depends on the bond behaviour of the FRP-concrete interface, which varies with the chosen strengthening technique. Therefore, the proposed model allows for the implementation of diverse shapes of bond-slip laws corresponding to different strengthening methods. It is specifically developed to solve the governing equation of the bonded joint using numerical procedure based on the finite difference method. The proposed model is validated by applying the bond-slip laws calibrated from the single-shear tests to the flexural test results, demonstrating accurate prediction of ICD failure for EB, EBROG and HB-CFRP specimens; La rehabilitació d'edificis i infraestructures ha adquirit importància en les últimes dècades. Els polímers reforçats amb fibra de carboni (en anglès, CFRP) són efectius per reforçar les estructures de formigó armat (en anglès, RC) gràcies a la seva resistència mecànica, resistència a la corrosió i lleugeresa. El mètode de reforç adherit externament (en anglès, EB), àmpliament adoptat per la seva facilitat d'instal·lació i efectivitat, millora el rendiment de les estructures d’RC. Tanmateix, el reforç a flexió sovint provoca el despreniment prematur de l’FRP del formigó, limitant l'ús de les propietats del reforç d’FRP. Per abordar el despreniment per fissures intermèdies (en anglès, ICD), s'han desenvolupat diversos models predictius, tot i que imposen límits estrictes de deformació a l’FRP. Per mitigar el despreniment prematur en membres reforçats amb EB-FRP a flexió, s'ha centrat la investigació en l'ancoratge del laminat de CFRP. Tècniques efectives com el reforç adherit externament a les ranures (en anglès, EBROG) i l’adhesió híbrida (en anglès, HB) han demostrat ser prometedores. Tanmateix, els estudis experimentals i numèrics en aquest àmbit encara són limitats, indicant la necessitat de més recerca. Aquesta tesi investiga l’ICD en bigues de formigó armat reforçades amb EB-FRP des de perspectives teòriques i experimentals. Analitza formulacions de la literatura i compara les prediccions teòriques amb els resultats de proves de flexió en quatre punts en bigues de formigó armat amb diferents resistències del formigó i ràtios de reforç d'acer. L'estudi inclou una base de dades experimental de 68 bigues de formigó armat, mostrant que els models prediuen amb precisió els modes de fallada ICD. L'eficàcia dels mètodes EBROG i HB-FRP per prevenir l’ICD s'estudia mitjançant proves d'adhesió i flexió. Els resultats indiquen que ambdós mètodes milloren el rendiment de l’EB-FRP, tot i que els models de predicció existents subestimen la resistencia a flexió per a l’EBROG. S'ha desenvolupat un model numèric per simular l'ICD per a diverses lleis d’adherència, aplicables a les diferents tècniques de reforç. Aquest model determina la màxima força de tracció que el laminat d’FRP pot transferir de manera efectiva entre dues fissures, tenint en compte les forces de tracció a les fissures que condueixen a l'ICD. Aquesta força màxima depèn del comportament d’adherència de la interfície FRP-formigó, que varia amb la tècnica de reforç escollida. Per tant, el model proposat permet la implementació de diverses formes de lleis d’adherència corresponents a diferents mètodes de reforç. Està programat per resoldre l'equació general del reforç per adherència mitjançant un procediment numèric basat en el mètode de les diferències finites. El model proposat es valida aplicant als resultats de proves de flexió les lleis d’adherència calibrades a partir dels assajos a tallant simple, demostrant una predicció precisa de la fallada per ICD en les bigues reforçades mitjançant EB, EBROG i HB-CFRP

2024-07-16T00:00:00Z