Caracterització i simulació numèrica avançada del procés de fractura i la resistència estructural en compòsits

Abstract

Els materials compostos són cada cop més utilitzats en la indústria, especialment en sectors com l’aeronàutica, gràcies a la seva lleugeresa i bones propietats mecàniques. No obstant això, el seu comportament a fractura continua sent un repte a causa de la seva naturalesa ortotròpica i la complexitat dels mecanismes de fallada com la delaminació i la fissuració interna.

Aquest treball de final de grau té com a objectiu la caracterització experimental d’un laminat compòsit i la definició d’una carta de material per a la seva simulació mitjançant elements finits. L’estudi combina assaigs experimentals i simulacions numèriques per analitzar la tenacitat a la fractura i validar un model numèric basat en els estudis de Catalanotti et al. (2014).

La metodologia inclou:

Validació d’un model numèric amb LS-DYNA. Realització d’assaigs mecànics (DENT i DENC) sobre provetes de laminat de fibra de vidre. Generació d’una carta de material a partir de dades experimentals. Comparació entre resultats experimentals i simulats. Implementació del model en una peça real (capó de vehicle) per verificar la seva funcionalitat segons la normativa UNECE R127.

Els resultats mostren una bona correlació entre simulació i experimentació, especialment en provetes de mida mitjana i gran. L’aplicació pràctica en un capó de cotxe demostra la viabilitat del model per a dissenys estructurals reals, amb un comportament mecànic comparable al de l’acer.

En conclusió, la combinació de tècniques experimentals i simulacions numèriques permet caracteritzar amb precisió la fractura en materials compostos, oferint una eina potent per al disseny estructural eficient i segur.

Composite materials have gained increasing importance in industry due to their excellent mechanical properties and low weight. In sectors such as aerospace, where weight and safety are critical, it is essential to design lightweight yet robust structures that maintain performance even in the presence of defects.

Despite their advantages, fracture behavior in composites remains a challenge. Their orthotropic nature leads to complex responses under load, with failure mechanisms such as delamination and internal cracking. This necessitates a detailed study of crack propagation and material toughness.

This final degree project focuses on the experimental characterization of a composite laminate and the development of a material card for advanced finite element simulations. The methodology combines experimental testing and numerical modeling using LS-DYNA, validated through established fracture models (Catalanotti et al., 2014). Tests include DENT and DENC specimens to determine fracture toughness and assess size effects.

The validated material model is implemented in a real-world application: a pedestrian head impact simulation on a 2020 Nissan Rogue hood, following UNECE R127 standards. The fiberglass hood's performance is compared to a steel counterpart, showing similar behavior and validating the simulation approach.

Conclusion, the integration of experimental and numerical techniques enables accurate fracture characterization of laminated composites, offering a robust tool for structural analysis and optimized design in safety-critical applications.