Finite Element Modeling of Composite Materials using Kinematic Constraints

Modelado de Materiales Compuestos por Elementos Finitos usando Restricciones Cinemáticas

El propósito de este artículo es presentar simulaciones del comportamiento de materiales compuestos basado en restricciones cinemáticas entre las mismas fibras y entre las fibras y la resina circundante. 

En la revisión de literatura, los autores han encontrado que las restricciones cinemáticas no han sido plenamente explotadas para modelar materiales compuestos, probablemente debido a su alto costo computacional. El propósito de este articulo es exponer la implementación y resultados de tal modelo, usando Análisis por Elementos Finitos de restricciones geométricas prescritas a los nodos de la resina y las fibras. 

Las descripciones analíticas del comportamiento de materiales compuestos raramente aparecen. Muchas aproximaciones para describir materiales compuestos en capas son basadas en la teoría de funciones $C_Z^1$​ y $C_Z^0$​ , tal como la Teoría Clásica de Capas (CLT). Estas teorías de funciones contienen significativas simplificaciones del material, especialmente para compuestos tejidos. Una aproximación hibrida para modelar materiales compuestos con Elementos Finitos (FEA) fue desarrollada por Sidhu y Averill [1] y adaptada por Li y Sherwood [2] para materiales compuestos tejidos con polipropileno de vidrio. 

Este artículo presenta un método para obtener valores para las propiedades de los materiales compuestos. Tales valores son usados para simular las fibras reforzadas tejidas aplicando elementos de capas en el software ANSYS. El presente modelo requiere menos simplificaciones que las teorías $C_Z^1$​ y $C_Z^0$​ . 

En el artículo presente, a diferencia del modelo Li–Sherwood, el tejido es modelado geométricamente. Una Representación por la Frontera (B-Rep del modelo “Hand”) con genus 1 (con geometría compleja) fue usada para aplicar restricciones geométricas a las capas de resina, fibra, etcétera, mostrando que es apropiada para simular estructuras complejas. 

En el futuro, las propiedades no–lineales de los materiales deben ser consideradas, y el trabajo experimental requerido debe ser realizado.

1 INTRODUCCIÓN

La importancia de los materiales compuestos reforzados con fibra en el campo de la ingeniería está creciendo rápidamente. Especialmente la industria aeroespacial, pero también otros sectores industriales como la automoción y la industria naval están muy influenciados por este tipo de materiales.

Un material compuesto es un material formado por dos o más componentes. Los materiales compuestos reforzados con fibra están formados por la fibra que actúa como refuerzo y una matriz que mantiene la fibra en su lugar. Debido a la composición de dos materiales con propiedades muy diferentes, el análisis de los componentes hechos de tales materiales es una tarea compleja.