Resumen

Los requisitos de bajo peso y estabilidad dimensional, combinados con una gran resistencia y rigidez, para las estructuras aeroespaciales han impulsado un uso cada vez mayor de materiales reforzados con fibras en la fabricación de dichas estructuras. En particular, los cilindros de carbono/epoxi se han utilizado ampliamente en aplicaciones aeroespaciales. En este trabajo, se desarrolló un programa experimental para determinar las cargas de fallo, el módulo de elasticidad y los modos de fallo de 47 cilindros de carbono/epoxi sometidos a cargas de compresión. Las probetas ensayadas tenían diferentes relaciones longitud/diámetro (de 2,50 a 11,25) y disposición del laminado. Estos resultados se compararon con los resultados analíticos del código de elementos finitos y se analizaron los factores más importantes que influyen en el comportamiento mecánico de este tipo de estructuras.

INTRODUCCIÓN

Debido a que presentan altos niveles de resistencia mecánica y rigidez por unidad de peso, además de no sufrir corrosión galvánica en muchas situaciones prácticas, los laminados de matriz plástica reforzados con fibras se han utilizado cada vez más en la fabricación de tuberías y recipientes a presión, entre otros componentes estructurales axisimétricos[1]. En el caso de corazas axisimétricas de carbono/epoxi sometidas a cargas de compresión, existen varios mecanismos de fallo posibles: (i) pandeo con bifurcación, con aparición de ondas circunferenciales; (ii) colapso axisimétrico[2]; (iii) fallo de material en el que la rotura de la primera capa (first ply failure, FPF) determina la rotura final y definitiva del laminado; y (iv) fallo de material con resistencia residual tras el FPF, implicando la rotura de capas sucesivas del laminado (last ply failure, LPF), antes de que el componente pierda completamente su resistencia mecánica[3,4]. Cuando el armazón es cilíndrico, el predominio de uno de los posibles mecanismos de fallo depende de factores como la relación diámetro/espesor (D/t) del cilindro, las orientaciones de las fibras, así como las fracciones de volumen y las propiedades de los constituyentes del laminado.

Los fallos que se producen cuando cilindros de paredes delgadas (elevada relación D/t) de materiales compuestos de fibra de carbono y resina epoxi se someten a cargas axiales de compresión son, en la mayoría de los casos, el resultado de inestabilidades locales, que pueden observarse tanto a escala macroscópica (fractura, pandeo local) como a escala microscópica (microflexión de las fibras). Además de los mencionados anteriormente, se han realizado otros estudios teóricos y experimentales que describen algunos de los mecanismos de fallo presentes en este tipo de estructuras y bajo estas tensiones[5-7]. No obstante, se observa que el modo de fallo más común está asociado a inestabilidades macroscópicas, que afectan tanto al cilindro en su conjunto como a partes específicas del mismo.

• Materias:Carbono Cilindros Comportamiento mecánico Materiales compuestos
• Subjects:Carbon Cylinder Mechanical behavior Composite materials
• Palabras claves:Materiales compuestos; Compresión; Fibra de carbono; Epoxi; Cilindro
• Keywords:Composite materials; Compression; Carbon fiber; Epoxy; Cylinder