Artículo Cientíco / Scientic Paper
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Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, X Edición 2021, No. 5 (09)
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (5/9)
Abstract
The use of laminate composite materials in
structural applications continue growing due to their
excellent specic mechanical properties. Laminates
of carbon bre are widely used in the manufacture of
primary structural, such as side-door impact beams
and bumpers for passenger cars, these structures
work as passive safety elements and during its service
life are exposed to dynamic loads. In this work, it
studies the capacity of energy-absorption of tubular
elements were manufactured by woven carbon bre/
epoxy (AS4/8552), which were impacted in the tower
drop at several impact energies. It were evaluating
the applied load, the absorbed energy, the maximum
displacement, the instant impact indentation and the
contact time. It was observed a linear relationship
between the absorbed energy/mass ratio, the maximum
vertical displacement/mass ratio and, instant impact
indentation/mass ratio regarding to the impact
energy. It was identied the loads corresponding to:
the matrix cracking and delamination threshold of
tubular elements subjected to low-velocity impact.
Keywords: Laminate, carbon, energy, impact, velocity
ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA DE ELEMENTOS
TUBULARES DE FIBRA DE CARBONO DE SECCIÓN CUADRADA SOMETIDOS A
IMPACTOS TRANSVERSALES
EXPERIMENTAL ANALYSIS OF THE ENERGY ABSORPTION OF SQUARE
CARBON FIBER TUBULAR ELEMENTS SUBJECTED TO TRANSVERSE
IMPACTS
Henry Iza Tobar
1
, Shirley K. García Castillo
2
, Inés Ivañez
3
,
1
Doctorando de Ingeniería Mecánica y Organización Industrial
1
Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras, Universidad Carlos III de Madrid
Av de la Universidad, Nº 30. 28911-Leganés-España
e – mail:
1
100414084@alumnos.uc3m.es,
2
sgcastil@ing.uc3m.es
3
idel@ing.uc3m.es
IZA, GARCÍA, IVÁÑEZ /
ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA DE ELEMENTOS TUBULARES DE FIBRA DE CARBONO
DE SECCIÓN CUADRADA SOMETIDOS A IMPACTOS TRANSVERSALES
Resumen
El uso de materiales compuestos laminados en
aplicaciones estructurales sigue creciendo debido a
sus excelentes propiedades mecánicas especícas.
Los laminados de bra de carbono son ampliamente
utilizados en la fabricación de estructuras primarias,
como las vigas de impacto de las puertas laterales
y los parachoques de los turismos, estas estructuras
funcionan como elementos de seguridad pasiva y
durante su vida útil están expuestas a cargas dinámicas.
En este trabajo se estudia la capacidad de absorción
de energía de elementos tubulares fabricados con bra
de carbono/epoxi (AS4/8552), que fueron impactados
en una torre de caída a varias energías de impacto.
Se evaluó la carga aplicada, la energía absorbida, el
desplazamiento máximo, la indentación instantánea
del impacto y el tiempo de contacto. Se observó una
relación lineal entre la energía absorbida/masa, la
relación desplazamiento vertical máximo/masa y la
relación indentación instantánea/masa con respecto
a la energía de impacto. Se identicaron las cargas
correspondientes a: el umbral de agrietamiento de la
matriz y de delaminación de los elementos tubulares
sometidos a impacto de baja velocidad.
Palabras Clave: Laminados, carbono, energía,
impacto, velocidad.
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1. Introducción
Las normativas sobre eciencia de combustible y
emisiones de gases de los vehículos son dos aspectos
importantes en el mundo actual. Una forma de aumentar
la eciencia del combustible evitando disminuir
la seguridad es utilizar materiales compuestos
reforzados con bra en especial con el uso del carbono
en las aplicaciones estructurales de la industria
del transporte, ya que los materiales compuestos
reforzados con bra tienen mayores resistencias
especícas que el acero o el aluminio convencionales
[11]. El uso de materiales compuestos laminados en
aplicaciones estructurales está creciendo debido a sus
excelentes propiedades mecánicas especícas. Para
diseñar estructuras con estos materiales, es necesario
conocer el comportamiento de las estructuras de
materiales compuestos laminados [1-2].
El elemento tubular estructural de pared delgada
es de gran interés tanto en la industria del transporte
terrestre como aéreo. Este tipo de elementos se
utilizan en estructuras primarias, como las palas de
los rotores y los largueros de las alas de las aeronaves,
donde están sometidas principalmente a exión. Por
otro lado, estos elementos se utilizan para absorber
energía en las estructuras de seguridad pasiva de los
vehículos, que suelen estar sometidas a compresión.
Además, estas estructuras pueden estar sometidas a
impactos de baja velocidad durante su vida en servicio
o durante las operaciones de montaje y mantenimiento
[3-4]. Estas cargas son especialmente críticas para los
materiales compuestos laminados debido a que estos
daños no suelen ser visibles a simple vista y podrían
modicar en gran medida el comportamiento de la
estructura [5-6]. Los laminados de bra de carbono
son ampliamente utilizados en la fabricación de
elementos estructurales primarios especialmente
críticas para los materiales compuestos laminados
debido a que estos daños no suelen ser visibles a
simple vista y podrían modicar en gran medida el
comportamiento de la estructura [5-6]. Los laminados
de bra de carbono son ampliamente utilizados en la
fabricación de elementos estructurales primarios en
vehículos de competición, y desde hace unos años se
está evaluando su uso en la fabricación de vehículos
comerciales [7], obteniéndose reducciones de peso de
los vehículos [8-9].
Sin embargo, el uso de estos laminados presenta
algunos problemas debido a su fractura frágil, siendo
este aspecto especialmente crítico en el diseño de
elementos de absorción de energía [10]. Debido a
la reducción del coste de los materiales de carbono/
epoxi y a la aparición de nuevos procedimientos de
fabricación adaptados a la producción en serie, el
análisis del comportamiento ante el impacto de los
tubos fabricados con estos materiales es actualmente
de gran interés.
El ensayo más adecuado para estudiar la respuesta
de estos elementos es el de exión en tres o cuatro
puntos, ya que es representativo de su estado de carga.
Durante una colisión, la estructura está sometida a
cargas dinámicas, por lo que un correcto estudio de
este fenómeno requiere de ensayos de impacto. El
fenómeno del impacto es complejo y necesita de
dispositivos experimentales especícos (pistola de
gas, torre de caída, etc.) y de sosticados dispositivos
de medición, como cámaras de alta velocidad, etc.
Algunos autores han estudiado la capacidad de
absorción-energía de elementos tubulares sometidos
a cargas de exión, pero sólo consideran las cargas
estáticas. Palmer et al. [12] estudiaron el fallo
progresivo de vigas de poco espesor fabricadas con
materiales compuestos pultruidos. Lim y Lee, [13]
analizaron mediante ensayos estáticos y simulaciones
numéricas los elementos tubulares de sección
cuadrada situados en la puerta de un vehículo,
fabricados con diferentes laminados de vidrio/epoxi.
Por su parte, Charoenphan et al. [14] estudiaron el
fallo progresivo que se produce en un tubo de sección
cuadrada cuando es sometido a cargas estáticas en un
ensayo de exión en tres puntos, observando que el
fallo comienza en las esquinas de la sección. En este
trabajo se evalúa la capacidad de absorción de energía
de elementos tubulares de sección cuadrada los que se
someten a bajo impacto.
2. Procedimiento Experimental
En la presente investigación se analizó el
comportamiento de los elementos tubulares de
sección cuadrada de pared delgada a probetas de bra
de carbono mediante preimpregnados de bra de
carbono/epoxi AS4/8552 de Hexcel Composites del
Instituto Nacional Aeroespacial. La longitud de los
tubos de sección cuadrada es de 480 mm de 35 mm
por lado y un espesor de 2.5 mm como se muestra en
la gura 1.
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de impacto y de absorción. Para el ensayo de impacto
se tomaron como referencia cuatro energías con
valores teóricos de 15J, 20J, 25J y 30J energías que no
producen falla o rotura total de las probetas. De cada
ensayo de impacto se obtuvo un registro de carga vs.
tiempo (Fig. 2), ya que la punta del impactador estaba
instrumentada con una célula de carga. Asumiendo
la hipótesis [28] de un contacto permanente entre
los elementos tubulares y el impactador, se pudo
determinar el desplazamiento del punto de contacto
mediante integraciones sucesivas de la curva carga vs.
Tiempo. A partir de la curva fuerza desplazamiento,
se obtuvo la energía absorbida hasta el fallo.
3. Resultados
La gura. 4 muestra las curvas fuerza-tiempo a
diferentes energías de impacto. Las curvas presentan
un comportamiento similar durante el tiempo
transcurrido cuando se aplican energías de 14,27 J a
29,43J
Figura 4. Representación de las curvas de la fuerza/masa vs. energía de
impacto para la estructura tubular.
Los picos de carga máxima están en función de la
energía aplicada y del tiempo transcurrido. Cuanto
menor sea la energía aplicada durante el ensayo,
mayor será el tiempo transcurrido para alcanzar un
pico de carga máximo. Para la energía de impacto de
14,27 J el tiempo transcurrido en el que se obtiene la
carga máxima de pico es de 3,272x10-3 s, para 19,18
J el tiempo en el que se obtiene la carga máxima es de
2,036x10-3 s, para 24,25 J el tiempo es de 1,996x10-3
s y para 29,43 J el tiempo es de 2,385x10-3 s.
A medida que la energía de impacto aumenta existe
un aumento de la carga en función de la masa. Cuando
se alcanza la energía máxima existe una variación del
tiempo en especial para las energías desde 19.18 J
hasta 29.43 J, este intervalo es de 3.89x10-4 s. Para
el ensayo a una energía de 14.27 J el tiempo en el que
se alcanza el pico máximo de carga es mayor debido
a que a mayor energía de impacto el tiempo debe ser
menor.
Figura 1. Probeta de bra de carbono/epoxi AS4/8552.
Se realizaron varios ensayos a las probetas de
sección cuadrada haciendo uso de una torre de caída
CEAST Fractovis en función de la masa mostrado en
la Figura 2.
Figura 2. Torre de caída CEAST Fractrovis
Fue diseñado y fabricado un soporte para la probeta
para el apoyo en tres puntos. Tanto la base del como
los soportes son lo sucientemente rígidos para
soportar el impacto como se observa en la Figura 2.
Figura 3. Esquema que de la probeta a ensayar con impactador y
soporte.
El impactador tiene una forma semi esférica de
30.22 mm de radio con una masa de 6.128 kg. La
forma semiesférica del impactador no permite la
perforación instantánea de las probetas. Cada ensayo
fue evidenciado con una cámara de alta velocidad
PHOTROM ULTIMA teniéndose grabaciones que
permitieron estimar las velocidades de impacto y
la reacción de impactador evaluado la distancia
recorrida en varios fotogramas consecutivos. Con el
número de fotogramas (27) se calcularon las energías
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Para cualquiera de los picos, la carga en función de
la masa aumenta con la energía de impacto, como se
observa en la gura. 5, esto ocurre en los tres picos, lo
que indica un comportamiento similar.
Al realizar la aproximación lineal para cada uno
de los picos, la pendiente del primer pico es menor
que la del segundo y del pico máximo. El primer pico
es muy constante, es decir, para cualquier energía
de impacto este pico se produce con una relación
carga/masa similar, lo mismo puede denirse para el
segundo pico.
Figura 5. Picos de fuerza/masa vs. energía de impacto para la
estructura tubular
La gura 6 muestra la energía absorbida en función
de la energía de impacto. La energía absorbida
para las estructuras tubulares ensayadas resultó en
una absorción superior al 50%, a una energía de
impacto de 14,27 J un porcentaje del 59,22% y para
una energía de 29,30 un porcentaje del 61,73%. La
aproximación lineal dio como resultado un valor de
pendiente menor.
Figura 6. Energía absorbida/masa vs. energía de impacto para la
estructura tubular.
En la gura 7 se muestra el desplazamiento
relacionado con la masa (mm/kg) en función de la
energía de impacto (J). Para los ensayos de tubos
estructurales realizados se puede visualizar una gráca
directamente proporcional; mientras mayor sea la
energía de impacto existe mayor desplazamiento en
relación con la masa 29.43 J, 0.0464788 mm/Kg
respectivamente y mientras menor sea la energía de
impacto existe menor desplazamiento en relación con
la masa 14.27 J, 0.02930 mm/Kg respectivamente.
Figura 7. Desplazamiento máximo/masa vs. energía de impacto para la
estructura tubular.
En la gura 8 se muestra la indentación relacionada
con la masa (mm/kg) en función de la energía de
impacto (J). Para los ensayos de tubos estructurales
realizados se puede visualizar una gráca directamente
proporcional; mientras mayor sea la energía de
impacto existe mayor indentación en relación con la
masa 29.43 J, 0.01854460 mm/kg respectivamente
y mientras menor sea la energía de impacto existe
menor indentación en relación con la masa 14.27 J,
0.01214884 mm/kg respectivamente.
Figura 8. Indentación/masa vs. energía de impacto para la estructura
tubular.
4. Conclusiones
Se determinó la capacidad de absorción de energía
de elementos tubulares fabricados con bra de carbono
tejida / epoxi (AS4/8552) y de sección de caja, en
función de la carga aplicada, la energía absorbida, el
desplazamiento máximo, la indentación instantánea
de impacto y el tiempo de contacto.
Se observó una relación lineal entre el pico de
carga/masa frente a la energía de impacto, el tiempo
de contacto frente a la energía de impacto para el
primer y segundo pico de carga, correspondientes a
una carga umbral de agrietamiento de la matriz y de
delaminación, respectivamente.
Se observó una relación lineal entre la energía
absorbida/masa, el desplazamiento vertical máximo/
masa y la relación de indentación instantánea por
impacto con la energía de impacto.
El ruido y las oscilaciones mostradas en el pico
máximo de la carga/masa frente a la energía de impacto
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en los ensayos de estructuras tubulares es mayor que
el obtenido en los ensayos de placas laminadas.
La necesidad de disponer de elementos estructurales
en los vehículos y con el n de proteger a los ocupantes
de los mismos permitió ensayar tubos con una masa
adecuada que absorbieran la energía sin fracturarse.
Los mecanismos de fallo sugeridos son la rotura de
la matriz, la delaminación y la rotura de las bras tanto
en compresión como en tensión. Este comportamiento
se ha evidenciado en las curvas de masa de carga
máxima frente a la energía de impacto y en la curva
de tiempo frente a la energía de impacto. Se determina
que la carga máxima es directamente proporcional a
la energía de impacto.
La estructura tubular es capaz de absorber una
mayor energía lo que garantiza la seguridad de los
ocupantes. Cuanto mayor sea el desplazamiento de la
estructura, mayor será la absorción de energía.
5. Referencias
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6. Biografía
1
Mgs. Henry H. Iza Tobar.
Doctorando Universidad Carlos III de
Madrid
2
Dra. Shirley K. García-Castillo,
Profesora Titular de Universidad
Carlos III de Madrid.
3
Dra. Inés Iváñez, Profesora Titular
de Universidad Carlos III de Madrid.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 07 septiembre 2021
Fecha aceptación 26 noviembre 2021
IZA, GARCÍA, IVÁÑEZ /
ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA DE ELEMENTOS TUBULARES DE FIBRA DE CARBONO
DE SECCIÓN CUADRADA SOMETIDOS A IMPACTOS TRANSVERSALES
