Análisis experimental y numérico de la influencia del estado tensional en la deformación de fallo de elementos estructurales de aluminio

摘要

El diseño de componentes estructurales cuya misión es absorber energía en choques de baja y mediavelocidad (crashworthiness) es un área de gran relevancia en ingeniería (industria automovilísticay aeronáutica) debido al incremento de los requerimientos de seguridad y fiabilidad de las estructurasde vehículos y aeronaves. La creciente aplicación de nuevos componentes estructurales más ligeros parareducir el consumo de combustible manteniendo la capacidad de absorción de energía, hace necesariooptimizar su diseño utilizando, cada vez con mayor insistencia, herramientas numéricas que reduzcanel coste de los ensayos experimentales sobre prototipos completos. Para una correcta predicción delcomportamiento completo (hasta rotura) del componente estructural metálico deben incluirse criteriosde fallo que consideren la influencia del estado tensional. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral hasido investigar el efecto combinado de la triaxialidad y del parámetro de Lode sobre el comportamientode metales en condiciones de fallo. A continuación, se recogen los objetivos específicos planteados:• Desarrollo de una ley de endurecimiento con fundamentación física y amplio intervalo de aplicación(velocidad de deformación y temperatura).• Desarrollo de un procedimiento experimental de obtención de la deformación de fallo en metalespara diferentes valores del estado tensional.• Aplicación de un criterio de fallo que recoja la influencia del estado tensional (triaxialidad y parámetrode Lode) y que permita predecir el comportamiento en condiciones de fallo.• Análisis experimental y numérico del comportamiento de elementos estructurales para absorción deenergía y protección frente a impacto en problemas de perforación.Para alcanzar los objetivos anteriores se han llevado a cabo las siguientes actividades:• Formulación e implementación de una ley de endurecimiento con fundamentación física basada endislocaciones y aplicable a metales FCC.• Desarrollo de una metodología de ensayos combinados de tracción-torsión en probetas tubulares dedoble entalla.• Calibración del criterio de fallo de Bai y Wierzbicki (dependiente de la triaxialidad y del parámetrode Lode) a partir de los resultados obtenidos en los ensayos de tracción-torsión combinada.• Realización de ensayos de perforación sobre metales utilizando diferentes formas de impactador(cónico, hemisférico y plano) que dan lugar a distintos modos de fallo del componente estructural.• Desarrollo de simulaciones numéricas del proceso de perforación que permitan conocer la influenciade la triaxialidad y del parámetro de Lode en la deformación de fallo.Los estudios se han llevado a cabo sobre las aleaciones de aluminio: 2024-T351, 5754-H111 y 6082-T6, que son habitualmente empleadas en la industria aeronáutica y de automoción. El conocimientodel comportamiento mecánico asociado al estado tensional (triaxialidad y parámetro de Lode) debe darlugar a nuevos modelos numéricos, que incorporen adecuados criterios de fallo de los elementos estructuralesde absorción de energía y protección frente a perforación e impacto. Los resultados proporcionaránherramientas para análisis y la simulación de prototipos físicos y virtuales de alto interés para la industriaautomovilística y aeronáutica.