Desarrollo de tecnología CAE para lograr una predicción de carga de fractura altamente precisa

Introducción

En Asahi Kasei, desarrollamos técnicas CAE para la sustitución de metales por plásticos de ingeniería con el fin de diseñar componentes más ligeros. Al incorporar parámetros de mecánica de fractura en nuestras simulaciones de elementos finitos (EF), nuestras nuevas técnicas CAE lograron predecir con mayor precisión la carga máxima de fallo de los componentes en comparación con las metodologías convencionales, lo que resultó en diseños de componentes más ligeros y fiables. Para seguir desarrollando nuestras capacidades CAE, colaboramos en proyectos de investigación con el Imperial College London (ICL, Reino Unido). En esta página se presenta una descripción general de este proyecto de investigación en ICL.

Fondo

Los termoplásticos reforzados con fibra corta (SFRP) moldeados por inyección (IM) son materiales ligeros, adecuados para aplicaciones de alto volumen. Sin embargo, los métodos actuales de simulación de elementos finitos (EF) para estos componentes aún no pueden predecir con precisión el fallo basándose en los criterios de inicio del fallo. Este trabajo presenta una metodología para predecir con precisión el fallo de subcomponentes IM-SFRP, basándose en parámetros de mecánica de fractura medidos experimentalmente mediante modelado de zonas cohesivas (CZM). ^​​
*cita: Documento 1, 2

Caracterización de los parámetros de la mecánica de fracturas

―― Característica específica de los materiales moldeados por inyección: alineación de las fibras y comportamiento anisotrópico

En esta investigación, se fabricaron las placas IM que se muestran a continuación y se utilizaron para la caracterización del material. En los IM-SFRP, las fibras se alinean a lo largo de la dirección del flujo cerca de la superficie del molde. Esta alineación de las fibras provoca la variación de las propiedades mecánicas en función de los ángulos de prueba (anisotropía). Los detalles de esta anisotropía se explican en la «Parte 9: Orientación en plásticos reforzados con fibra».

―― Caracterización de la tasa de liberación de energía de deformación de IM-SFRP

La tasa de liberación de energía de deformación de los IM-SFRP se midió mediante ensayos de tensión compacta (TC). Las muestras de TC (Fig. 2) se mecanizaron a partir de las placas IM en varios ángulos y se probaron aplicando la carga mediante un control de desplazamiento cuasiestático continuo de los pasadores de carga (Fig. 3). En este ensayo, se observó una propagación estable de la grieta desde la punta inicial.

Los resultados de las pruebas se transformaron en curvas R, y la región de meseta de la curva se utilizó como tasa crítica de liberación de energía de deformación del material. Estas tasas de liberación de energía de deformación se vieron influenciadas no solo por los estados de orientación de las fibras, sino también por las temperaturas y las condiciones de humedad de las pruebas. Los detalles de la metodología de prueba y el proceso de reducción de datos se describen en nuestro artículo (Artículo 1).

―― Efecto de la orientación de la fibra en la tasa de liberación de energía de deformación

Tras la prueba, se observaron las superficies de fractura de las muestras de TC mediante SEM. En la dirección de 0°, se observó una falla de la fibra con deformación plástica de la matriz, que posteriormente se transformó en falla por cizallamiento de la matriz en la dirección de 45° y en falla por tensión transversal de la matriz en la dirección de 90°. Creemos que estos cambios en los mecanismos de daño están estrechamente relacionados con el aumento o la disminución de las tasas de liberación de energía de deformación.

Casos prácticos de CAE

―― Simulación EF de pruebas de TC

Se realizó una simulación de elementos finitos (EF) de la prueba de TC y se comparó el resultado con los resultados de la prueba. Los parámetros utilizados en nuestra simulación de elementos finitos (CZM) se calibraron con tasas de liberación de energía de deformación medidas experimentalmente. En este resultado, nuestra simulación de elementos finitos mostró una excelente concordancia entre la rigidez inicial, la carga máxima y el comportamiento post-pico, en comparación con los resultados de la prueba.

―― Validación de la metodología de simulación EF en escala de subcomponentes

Los subcomponentes que se muestran a continuación se fabricaron y probaron mediante indentación cuasiestática. La figura (derecha) muestra las curvas de carga-desplazamiento de las pruebas de subcomponentes realizadas mediante simulaciones de elementos finitos (EF) y experimentos. El criterio de inicio de fallo disponible en software comercial (criterio de Tsai-Hill (TH) en este ejemplo) subestimó la carga máxima de fallo en aproximadamente un 20 %, mientras que las simulaciones de elementos finitos (EF) con CZM (calibradas con tasas experimentales de liberación de energía de deformación) mostraron una excelente predicción de fallos con un margen de error del 3 % en comparación con las pruebas. Este resultado indica que nuestra técnica CAE promete predecir fallos con precisión y diseñar componentes más ligeros y fiables.

Publicaciones y presentaciones en congresos

Los resultados de esta investigación se han publicado en revistas prestigiosas y se han presentado en conferencias internacionales/japonesas, como se describe a continuación.

―― Artículos de revistas

① “Tenacidad de fractura por iniciación y propagación de compuestos de fibra corta moldeados por inyección en diferentes condiciones ambientales” (2023) (https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109891)
Autores: Yuki Fujita ^1,2,3, Satoshi Noda ¹, Junichi takahashi ², Emile S. Greenhalgh ³, Soraia Pimenta ³,
2 “Predicción de fallos en subcomponentes de fibra corta moldeados por inyección en diversas condiciones ambientales mediante la mecánica de fracturas” (2024) (https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111343)
Autores: Yuki Fujita ^1,2.3, Satoshi Noda ¹, Junichi takahashi ², Emile S. Greenhalgh ⁴, Soraia Pimenta ³,

Afiliación:
1. Departamento de Desarrollo de CAE, Laboratorio de Polímeros Sostenibles, Asahi Kasei Corporation
2. Departamento Técnico de CAE, Centro de Tecnología de Producción, Asahi Kasei Corporation
3. Departamento de Ingeniería Mecánica, Imperial College London
4. Departamento de Aeronáutica, Imperial College London

―― Presentaciones en conferencias

・Conferencia internacional sobre pruebas de compuestos e identificación de modelos (2021)
・Conferencia Europea sobre Materiales Compuestos (2022)
・Día de la Tecnología de Materiales (2023)
・Conferencia Internacional sobre Materiales Compuestos (2023)
・ECCOMAS COMPOSITES 2023 (2023)
・Conferencia Japonesa sobre Materiales Compuestos (2024) *Premio a la mejor presentación
・Conferencia Europea sobre Materiales Compuestos (2024)
・Conferencia Japonesa sobre Materiales Compuestos (2025)

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