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

Resumen

El diseño de componentes estructurales cuya misión es absorber energía en choques de baja y media velocidad (crashworthiness) es un área de gran relevancia en ingeniería (industria automovilística y aeronáutica) debido al incremento de los requerimientos de seguridad y fiabilidad de las estructuras de vehículos y aeronaves. La creciente aplicación de nuevos componentes estructurales más ligeros para reducir el consumo de combustible manteniendo la capacidad de absorción de energía, hace necesario optimizar su diseño utilizando, cada vez con mayor insistencia, herramientas numéricas que reduzcan el coste de los ensayos experimentales sobre prototipos completos. Para una correcta predicción del comportamiento completo (hasta rotura) del componente estructural metálico deben incluirse criterios de fallo que consideren la influencia del estado tensional. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral ha sido investigar el efecto combinado de la triaxialidad y del parámetro de Lode sobre el comportamiento de 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 metales para diferentes valores del estado tensional. • Aplicación de un criterio de fallo que recoja la influencia del estado tensional (triaxialidad y parámetro de Lode) y que permita predecir el comportamiento en condiciones de fallo. • Análisis experimental y numérico del comportamiento de elementos estructurales para absorción de energía 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 en dislocaciones y aplicable a metales FCC. • Desarrollo de una metodología de ensayos combinados de tracción-torsión en probetas tubulares de doble entalla. • Calibración del criterio de fallo de Bai y Wierzbicki (dependiente de la triaxialidad y del parámetro de 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 influencia de 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 conocimiento del comportamiento mecánico asociado al estado tensional (triaxialidad y parámetro de Lode) debe dar lugar a nuevos modelos numéricos, que incorporen adecuados criterios de fallo de los elementos estructurales de absorción de energía y protección frente a perforación e impacto. Los resultados proporcionarán herramientas para análisis y la simulación de prototipos físicos y virtuales de alto interés para la industria automovilística y aeronáutica.