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Proyectos de I+D+i excelencia o generación de conocimiento

Referencia: PID2021-123325OB-I00.

Título del Proyecto: Predicción computacional de la iniciación y propagación del daño en elementos estructurales de materiales compuestos y de impresión 3D (DAMINI)

IPs: Vladislav Mantic Lescisin y Luis Arístides Távara Mendoza

Fecha Inicio: 01/09/2022  Fecha Final: 31/08/2025

Total Concedido: 181.500 EUR

Equipo Investigación US: Alberto Barroso Caro, María del Mar Muñoz-Reja Moreno, Enrique Graciani Díaz

Motivación:

La tendencia actual de implementar un ciclo rápido de la tecnología de fabricación que incluya el diseño, ensayo y fabricación (paradigma de la Industria 4.0) requiere herramientas computacionales altamente eficientes y fiables para la predicción precisa del daño, en particular las asociadas a la iniciación y propagación de grietas que interactúan con interfaces.

Estas herramientas serán fundamentales para la integridad estructural, la fiabilidad y la eficiencia de diferentes materiales y componentes, altamente tecnológicos, producidos en una amplia gama de sectores industriales como, por ejemplo, los materiales compuestos reforzados con fibra y los materiales impresos en 3D para las industrias aeronáutica, espacial y del automóvil.

El uso generalizado de los materiales compuestos reforzados con fibras y de los materiales impresos en 3D abarcan nuevas fronteras para los futuros diseños gracias a la adaptación de su composición material a las necesidades industriales. El rendimiento óptimo de las capacidades de estos sistemas estructurales, a menudo caracterizados por su heterogeneidad y anisotropía, requiere un conocimiento profundo de los diferentes mecanismos de fractura que afectan a su integridad y eficiencia.

Las elevadas pérdidas económicas debidas a la fractura son, al menos en parte, evitables con una inversión adecuada en la investigación y aplicación de nuevas estrategias computacionales para la predicción del daño.

Objetivos:

En vista de i) la necesidad industrial de desarrollar una herramienta computacional eficiente, robusta y precisa que prediga el inicio y la propagación de la fractura en sistemas estructurales heterogéneos y anisótropos bajo cargas cuasiestáticas, cíclicas y dinámicas, ii) las excelentes capacidades de predicción del Criterio Acoplado de la Mecánica de Fractura Finita (CCFFM) y la demostrada eficiencia computacional y robustez de la metodología del Principio de Mínima Energía Total sujeto a una Condición de Tensión (PMTE-SC), y iii) los conocimientos necesarios del Equipo de Investigación (RT) del proyecto DAMINI, el objetivo general de DAMINI es desarrollar dicha herramienta computacional basada en la metodología PMTE-SC y mostrar su rendimiento mediante la predicción del daño (fractura) para varios elementos estructurales relevantes, incluyendo materiales compuestos e impresos en 3D.

La idea es desarrollar varias herramientas computacionales compatibles con ABAQUS (FEM), aprovechando la experiencia acumulada en el desarrollo de una herramienta computacional similar desarrollada por el RT para un problema específico de iniciación y propagación de la fractura en interfaces de Winkler bajo cargas cuasiestáticas.

Tareas:

Para ampliar las capacidades de la actual herramienta basada en el PMTE-SC para ABAQUS, se deben desarrollar varias características nuevas, enumeradas a continuación. Todas ellas representan importantes retos teóricos y computacionales con respecto al estado actual de la mecánica de la fractura.

1) Predicción de la iniciación y propagación de grietas en el interior de (a) sólidos isótropos homogéneos (b) sólidos anisótropos homogéneos y (c) sólidos heterogéneos, bajo cargas cuasiestáticas.

2) Predicción del límite de fatiga.

3) Predicción de la iniciación de grietas dinámicas.

Finalmente, las herramientas computacionales desarrolladas se aplicarán a problemas específicos de interés. Se proponen ejemplos particulares sobre materiales compuestos, sus uniones adhesivas, y sobre piezas impresas en 3D.


SOFIA: Test Methods for Analysis Of Infusion Panels

Partners: Alestis Aerospace, University of Seville, LGAI-APPLUS

Duration: March 2021 – June 2023

Budget: 498.339 EUR

WEB:   https://cordis.europa.eu/project/id/101007984

Objectives of the project

A novel resin infusion procedure is used to manufacture a curved stiffened panel. This procedure avoids the especific bonding process between the skin and the stringer foot, which is typically a weak point when instabilities (under compression) take place. Level-2 tests (details) and level-3 test (full panel) will be carried out to: a) obtain new allowable values associated to failure mechanisms with this new manufacturing procedure, b) failure compression loads, and failure mechanisms will be characterized for the full panel under compression.

7 point bending test on a stiffened panel

7 point bending test on a stiffened panel

Level 2 tests

Unfolding tests

Unfolding tests

Mode-I Interlaminar Fracture Toughness tests

Mode-I Interlaminar Fracture Toughness tests

Compression after impact tests

Compression after impact tests

Pull-out 3-point bending tests

Pull-out 3-point bending tests


CertBond – COST Action CA18120

Title: Cost Action CA18120 – Reliable roadmap for certification of bonded primary structures

Partners: +30 Countries

Duration: April 2019 – Oct 2023

WEB:   https://certbond.eu/

 

Plan Estatal 2021-2023 – Proyectos Investigación Orientada.

Referencia: PGC2018-099197-B-I00.

Título del Proyecto: Soluciones elásticas singulares para esquinas y grietas con condiciones de contorno cohesivas o de elasticidad de superficie. desarrollo de elementos finitos especiales (SINGSOL)

IPs: Vladislav Mantic Lescisin y Luis Arístides Távara Mendoza

Fecha Inicio: 01/01/2019  Fecha Final: 31/12/2021

Total Concedido: 60.500 EUR

Equipo Investigación US: Alberto Barroso Caro, María del Mar Muñoz-Reja Moreno

Resumen:

Este es un proyecto ambicioso con el objetivo de cambiar la forma de resolver los problemas de la Mecánica de Fractura Elástica Lineal (LEFM), mediante el uso de varios modelos no clásicos: Modelo de Interfase Elástica Lineal Frágil (LEBIM), Modelos de Zona Cohesiva (CZM) y Modelos de Elasticidad de Superficie y de Tensión de Superficie (SEM), aplicados usando elementos especiales/singulares.

Todos estos modelos incluyen una discontinuidad fuerte en desplazamientos. El objetivo principal del proyecto es maximizar la precisión de las soluciones numéricas, especialmente al predecir la propagación de grietas que aparecen en diversos materiales y las uniones de estos, a la vez que se minimizan los recursos computacionales utilizados, evitando la necesidad de un refinamiento excesivo del mallado de los sólidos, que a menudo es necesario para lograr la convergencia de las soluciones numéricas.

Las implementaciones computacionales y las aplicaciones ingenieriles de los modelos de fractura no clásicos mencionados anteriormente, han aumentado considerablemente especialmente en la última década. Por lo que esta propuesta aborda un tema de actualidad y de gran interés, desde un punto de vista ingenieril, para las predicciones de inicio y de propagación de grietas en materiales compuestos.

Las aplicaciones de los resultados del proyecto abarcan problemas de fractura en escala macro, meso y micro (LEBIM y CZM) e incluso problemas de escala nano (SEM). Las expresiones analíticas de las nuevas soluciones elásticas asintóticas cercanas al vértice de la grieta, en LEBIM, CZM y SEM, son relevantes para lograr una alta precisión en el modelado computacional de la propagación de la grieta con una eficiencia algorítmica máxima, minimizando los recursos computacionales necesarios.

Resultados:

Aunque solo se concedió un tercio del presupuesto solicitado y además de las múltiples dificultades surgidas por la pandemia COVID-19, los resultados obtenidos han sido excelentes y queda demostrado con el número de artículos publicados en revistas internacionales de alto impacto: 16 artículos publicados y 3 artículos en revisión.

Finalmente se espera que se publiquen al menos 20 artículos en revistas internacionales de alto impacto con los resultados del proyecto SINGSOL. Adicionalmente, más de 10 artículos incluyendo resultados de SINGSOL se publicarán en otras revistas nacionales e internacionales centradas en ingeniería y la mecánica de la fractura, usualmente asociadas con comunicaciones presentadas en congresos científicos.