Caracterización mecánica de espumas metálicas y su aplicación en sistemas de absorción de energía

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El estudio de las espumas metálicas es un tema de creciente importancia, no sólo por las ventajas que presentan estos materiales para una amplia gama de aplicaciones en diseño ingenieril, sino además por la variabilidad que suelen exhibir sus propiedades mecánicas y por lo compleja e imprecisa que puede llegar a ser su caracterización. Esta tesis doctoral presenta el estudio y análisis del comportamiento mecánico a compresión de una espuma de aluminio, de celda cerrada, a diferentes velocidades de deformación. Como parte de este estudio, se han llevado a cabo ensayos cuasiestáticos de compresión y ensayos dinámicos en un dispositivo de SHPB con barras viscoelásticas de baja impedancia. Este dispositivo ha sido diseñado y preparado para el ensayo de la espuma metálica y, como parte del análisis de los resultados que ha permitido obtener, se ha desarrollado un algoritmo para la corrección analítica de la dispersión y atenuación causadas por las propiedades viscoelásticas de las barras. Se han trazado las curvas tensión nominal-deformación nominal (σN-εN) de la espuma metálica para diferentes velocidades de deformación en el intervalo de 10-3 a 900 s-1. A través de estas curvas se estimaron las propiedades mecánicas clave de la espuma y se evaluó su capacidad de absorción de energía por deformación. Para complementar este análisis se llevó a cabo la modelización de los ensayos de compresión cuasiestática y dinámica de la espuma, mediante un código computacional de elementos finitos. La modelización se llevó a cabo implementando un modelo constitutivo con endurecimiento isotrópico incluido en el código e implementando un modelo de celda unitaria, desarrollado a partir de las características estructurales de la espuma. Finalmente, se ha estudiado, mediante ensayos en torre de caída de peso, el comportamiento frente a impacto de baja velocidad de estructuras sándwich con pieles de aleación de aluminio y núcleo de la espuma metálica y se ha realizado una estimación de la contribución de la espuma durante el proceso de absorción de energía de este tipo de estructuras. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
The study of metal foams has become of growing importance, not only by the advantages that these materials have for a wide range of applications in engineering design but also by the variability that their mechanical properties usually exhibit and by the complexity and inaccuracy of their characterization. This doctoral thesis deals with the study and analysis of the mechanical behavior of a closed-cell aluminum foam under compression at different strain rates. As part of the study both quasistatic and dynamic compressive test were carried out, using a servo-hydraulic machine and a SHPB device with low-impedance viscoelastic bars, respectively. This device for dynamic test was previously designed and prepared for the evaluation of the metal foam and, as part of the analysis of the results that it has allowed obtain, it was developed a numerical algorithm in order to accomplish the correction of the dispersion and attenuation caused by the viscoelastic properties of the bars. Nominal stress-strain curves (σN-εN) of the metal foam were plotted for different strain rates, ranging from 10-3 to 900 s-1. Using these curves were estimated the key mechanical properties of the foam and was estimated its capacity to absorb energy by deformation. In addition, modeling of the quasi-static and dynamic compressive test was performed, using a FEM-based code. This modeling was accomplished by implementing a constitutive model with isotropic hardening included in the code and by implementing a unit cell model developed from the structural characteristics of the foam. Finally, by drop weight testing was studied the low-velocity impact behavior of sandwich structures with aluminum skins and metal foam core and the contribution of the foam to the energy absorption process was estimated.
Publicado el : miércoles, 01 de febrero de 2012
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Número de páginas: 330
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
DEPARTAMENTO DE MECÁNICA DE MEDIOS CONTINUOS Y
TEORÍA DE ESTRUCTURAS





TESIS DOCTORAL




CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE ESPUMAS
METÁLICAS Y SU APLICACIÓN EN SISTEMAS DE
ABSORCIÓN DE ENERGÍA




Autor: IGNACIO ALEJANDRO IRAUSQUÍN CASTRO
Ingeniero Aeronáutico

Director: PROF. DR. D. JOSÉ LUIS PÉREZ CASTELLANOS











Leganés, Febrero de 2012 TESIS DOCTORAL


CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE ESPUMAS
METÁLICAS Y SU APLICACIÓN EN SISTEMAS DE
ABSORCIÓN DE ENERGÍA


Autor: Ignacio Alejandro Irausquín Castro
Director: Prof. Dr. D. José Luis Pérez Castellanos



Tribunal Calificador:
Miembro Firma
Presidente:
Vocal:
Vocal:
Vocal:
Secretario:

Calificación:





Leganés, a de de 2012
DEDICATORIA








A mis padres NIVA y PEDRO,
esperando ser su orgullo,
A mis hijos CLAUDIA y ANDRÉS,
intentando ser su ejemplo,
A mi gente, por ser y estar…siempre!






vii

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, quiero expresar mi mayor agradecimiento al Director de esta Tesis,
Prof. José Luis Pérez Castellanos, por sugerir y tutelar esta investigación, por su
apoyo, orientación, disposición, cordialidad, paciencia y por la confianza ofrecida a
nivel profesional y personal.

A todos los miembros del Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría
de Estructuras, con especial mención al Prof. Enrique Barbero Pozuelo, por toda la
ayuda prestada durante la tramitación de mi ingreso al departamento y al programa
doctoral desde el exterior, y a los profesores Carlos Navarro Ugena, José Fernández
Sáez, Ramón Zarea Polo y Ángel Arias Hernández, quienes siendo directores de
departamento me han brindado todo el apoyo necesario para llevar a cabo este
trabajo de la manera más cómoda posible. Gracias por haberme dado la oportunidad.

Al Prof. Filipe Teixeira-Dias de la Universidad de Aveiro, por sus ideas y valiosos
consejos para el estudio de las espumas metálicas.

A mis compañeros de despacho por su camaradería y trato afable a lo largo de estos
años, especialmente a Jorge Zahr Viñuela, por su valiosa y siempre desinteresada
colaboración en temas relativos a modelización y análisis numérico, y a Ángel Luis
Sánchez Merino, por su disposición e invaluable apoyo durante todo este tiempo y
por brindarme su amistad sincera e incondicional.

A todas aquellas personas que han hecho posible la ejecución del complejo y
laborioso desarrollo experimental: al Prof. Filipe Teixeira-Dias por el suministro de la
espuma metálica, a Rolando E. Guzmán López por sus consejos y orientación para
los ensayos de compresión y los ensayos en barra Hopkinson, a Inés Iváñez del Pozo
por su ayuda con los primeros ensayos en torre de caída, a Marco A. Álvarez
Valenzuela por su ayuda con el corte de probetas cilíndricas de espuma, a Alberth
Vargas Meléndez por su ayuda con el corte de placas de aluminio para las probetas
viii

sándwich, a Brenda L. Buitrago Pérez por su ayuda con los ensayos en torre de caída
y con la inspección de probetas sándwich por C-scan, a David Arias Pedroche por la
información sobre los equipos y los ensayos en torre de caída y demás técnicos del
laboratorio por la preparación de algún equipo y el corte de algunos materiales.

A Miguel Martín Rojo por su ayuda en el desarrollo de la herramienta para la
corrección de la dispersión y atenuación en los ensayos en barra Hopkinson.

A mis grandes amigos del “clan bolivariano” Gustavo, Yolmar, Nacarí, Alberto, Sol,
Marco, Marlen, Jesús, Crismary, Ángel, Gema, Omar L., Keiddy, Fernando, Omar R.,
Glendys, Alberth, Melisa, Omar Alejandro (Chito), Sofía y Paula, y recientes
incorporaciones, por todo el apoyo emocional que, aún sin saberlo, me han dado a lo
largo de este tiempo, el cual me ha servido para superar momentos de adversidad
física y espiritual. Gracias a todos por hacerme sentir en casa, estando lejos de ella.

A los “Mimos”, Marco y Marlen, por abrirme las puertas de su hogar estos últimos
meses, que han sido tan arduos para mí y para mi familia. Gracias por su gran
amistad y por la inconmensurable ayuda que nos han prestado.

A mi suegra Ida, mis cuñis Lisett y Sandra y a Eulogia, por su ayuda en el cuidado y
atención de nuestros hijos durante los últimos meses, así como a mi hermana Beatríz,
por la tranquilidad que me ha dado al atender nuestros asuntos en Venezuela.

A mis padres Niva y Pedro, por abrir el camino que he debido recorrer para alcanzar
este logro, y a mis hijos Claudia y Andrés, por servirme de motivación en la
búsqueda y consecución de nuevos éxitos cada día.

A mi compañera en la maravillosa aventura de vivir, Brenda, a quien agradezco
inmensamente por estar a mi lado y por el apoyo, atención, cariño, comprensión,
paciencia, empatía y otras tantas cosas, que junto a los gratos momentos que hemos
tenido, han servido de impulso para el logro de diversas metas trazadas.
ix

RESUMEN

El estudio de las espumas metálicas es un tema de creciente importancia, no sólo por
las ventajas que presentan estos materiales para una amplia gama de aplicaciones en
diseño ingenieril, sino además por la variabilidad que suelen exhibir sus propiedades
mecánicas y por lo compleja e imprecisa que puede llegar a ser su caracterización.
Esta tesis doctoral presenta el estudio y análisis del comportamiento mecánico a
compresión de una espuma de aluminio, de celda cerrada, a diferentes velocidades
de deformación. Como parte de este estudio, se han llevado a cabo ensayos
cuasiestáticos de compresión y ensayos dinámicos en un dispositivo de SHPB con
barras viscoelásticas de baja impedancia. Este dispositivo ha sido diseñado y
preparado para el ensayo de la espuma metálica y, como parte del análisis de los
resultados que ha permitido obtener, se ha desarrollado un algoritmo para la
corrección analítica de la dispersión y atenuación causadas por las propiedades
viscoelásticas de las barras. Se han trazado las curvas tensión nominal-deformación
nominal (σ -ε ) de la espuma metálica para diferentes velocidades de deformación N N
-3 -1en el intervalo de 10 a 900 s . A través de estas curvas se estimaron las propiedades
mecánicas clave de la espuma y se evaluó su capacidad de absorción de energía por
deformación. Para complementar este análisis se llevó a cabo la modelización de los
ensayos de compresión cuasiestática y dinámica de la espuma, mediante un código
computacional de elementos finitos. La modelización se llevó a cabo implementando
un modelo constitutivo con endurecimiento isotrópico incluido en el código e
implementando un modelo de celda unitaria, desarrollado a partir de las
características estructurales de la espuma. Finalmente, se ha estudiado, mediante
ensayos en torre de caída de peso, el comportamiento frente a impacto de baja
velocidad de estructuras sándwich con pieles de aleación de aluminio y núcleo de la
espuma metálica y se ha realizado una estimación de la contribución de la espuma
durante el proceso de absorción de energía de este tipo de estructuras.


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