analisis de choques en materiales compuestos

171 Pages·2007·3.24 MB·Spanish

ANALISIS DE CHOQUES EN MATERIALES COMPUESTOS

SEBASTIAN GUTIERREZ RESTREPO

UNIVERSIDAD EAFIT
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
AREA DE DISEÑO
MEDELLIN
2007
ANALISIS DE CHOQUES EN MATERIALES COMPUESTOS

SEBASTIAN GUTIERREZ RESTREPO

Proyecto para optar al titulo de Ingeniero Mecánico

Asesor:
Ingeniero Carlos Eduardo López Zapata

UNIVERSIDAD EAFIT
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
AREA DE DISEÑO
MEDELLIN
2007
AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mi asesor, Carlos Eduardo López, por el apoyo brindado durante los dos
semestres en que colaboramos para sacar este proyecto adelante. Su permanente
interés, sus continuos aportes y su constante apoyo facilitaron ampliamente el enfrentar
este reto.

Agradezco a la Universidad Eafit por ofrecerme los recursos apropiados para desarrollar
el proyecto de grado. Los recursos informáticos, bibliográficos y físicos con los que
cuenta la Universidad son invaluables; el trabajo que facilitan no se puede medir. Debe
hacerse un mayor énfasis en su utilización.
CONTENIDOS

Pág.

1. ANTECEDENTES 16
2. PRESENTACIÓN 18
3. OBJETO DE ESTUDIO 20
4. OBJETIVOS 21
4.1 GENERAL 21
4.2 ESPECÍFICOS 21
5. METODOLOGÍA 22
6. MATERIALES COMPUESTOS EN PROBLEMAS DE IMPACTO 23
6.1 MECÁNICA DE MATERIALES COMPUESTOS 24
6.1.1 Introducción. 24
6.1.2 Comportamiento macro mecánicos de las láminas. 27
6.1.3 Comportamiento micro mecánicos de las láminas. 29
6.1.4 Comportamiento de los laminados. 31
6.1.5 Introducción al diseño de materiales compuestos. 32
6.1.6 Criterios de falla en los materiales. 33
6.2 ANALISIS DINÁMICO DE CHOQUES 34
6.2.1 Introducción al análisis de choques. 34
6.2.2 Modelos analíticos de impactos. 35
6.2.3 Análisis de colisión elástica. 36
6.2.4 Análisis de colisión plástica. 38
6.2.5 Pérdida de energía y coeficiente de restitución. 39
6.2.6 Trasfondo y descripción del problema. 40
6.2.7 Análisis computacional. 42
6.3 CONSIDERACIONES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EN
PROBLEMAS DE IMPACTO 43
6.3.1 Métodos de inspección. 44
6.3.2 Observación de pruebas. 44
6.3.3 Análisis en software. 46
7. METODOS DE ANALISIS DE IMPACTOS 48
7.1 DINAMICA DE CHOQUES 48
7.1.1 Principio de los trabajos virtuales. 48
7.1.2 Principio de D’Alembert. 50
7.2 ANALISIS DINAMICO EN ANASYS LS-DYNA 50
7.2.1 Aplicaciones de Ansys LS-Dyna. 51
7.2.2 Comparación entre los métodos implícitos y explícitos. 51
7.2.3 Organización de archivos en Ansys LS-Dyna. 52
7.3 ELEMENTOS EN ANALISIS EXPLICITOS 53
7.3.1 Formulación de integración reducida. 54
7.3.2 Hourglassing. 55
7.3.3 Plane162 – Sólido 2D. 56
7.3.4 Shell163 – Cascarón delgado 3D. 57
7.3.5 Solid164 – Ladrillo 3D de 8 nodos. 58
7.4 DEFINICION DE MATERIALES 59
7.4.1 Materiales elásticos lineales. 60
7.4.2 Materiales elásticos no lineales. 61
7.4.3 Plasticidad. 61
7.4.4 Amortiguación o Damping. 64
7.5 CARGAS 67
7.5.1 Procedimiento general de carga. 68
7.5.2 Velocidad inicial. 69
7.5.3 Control de amortiguación. 69
7.5.4 Cuerpo rígido. 70
7.6 CONTACTO ENTRE SUPERFICIES 70
7.6.1 Planteamiento dinámico de las superficies de contacto. 71
7.6.2 Generalidades de las superficies de contacto. 72
7.6.3 Algoritmo de contacto de superficie simple. 74
7.6.4 Algoritmo de contacto nodo-superficie. 75
7.6.5 Algoritmo de contacto superficie-superficie. 76
7.6.6 Familias de contactos. 76
7.7 METODOLOGIA 78
7.7.1 Pautas de modelación. 79
7.7.2 Pautas de materiales. 80
7.7.3 Pautas para las cargas. 81
7.7.4 Pautas de contacto. 81
7.7.5 Pautas generales de análisis de impactos. 82
8. ANALISIS DE IMPACTO 84
8.1 MODELOS DE ELEMENTOS 84
8.1.1 Shell163. 84
8.1.2 Solid164. 88
8.1.3 Mass166. 90
8.2 MODELOS DE MATERIALES 90
8.2.1 Material isotrópico bilineal con endurecimiento cinemático. 91
8.2.2 Material compuesto. 92
8.2.3 Material rígido. 95
8.2.4 Material ficticio para Mass166. 95
8.3 MODELO DEL SISTEMA 96
8.3.1 Cilindro compuesto. 96
8.3.2 Placa móvil. 99
8.3.3 Placa fija. 100
8.3.4 Masas. 101
8.4 CONDICIONES INICIALES 102
8.4.1 Condiciones de velocidad inicial. 102
8.4.2 Condiciones de contacto entre superficies. 103
8.5 SOLUCION Y POSTPROCESAMIENTO 104
8.5.1 Control de Hourglassing y Damping. 104
8.5.2 Tiempo de ejecución. 105
8.5.3 Información a almacenar para el postprocesamiento. 105
8.5.4 Postprocesamiento general. 106
8.5.5 Postprocesamiento histórico. 107
8.6 RESULTADOS COMPARATIVOS 107
8.6.1 Resultados de materiales bilineales. 107
8.6.2 Resultados de materiales compuestos. 114
9. DESARROLLO DE LA ALTERNATIVA 119
9.1 OBJETIVOS Y CRITERIOS 119
9.1.1 Materiales para la simulación. 119
9.1.2 Características de los materiales. 120
9.1.3 Geometría del modelo. 121
9.2 DEFINICION DE MODELOS 122
9.2.1 Modelación geométrica. 122
9.2.2 Condiciones iniciales. 123
9.2.3 Modelos isotrópicos bilineales. 124
9.2.4 Modelos compuestos. 124
9.2.5 Información para el postprocesamiento. 127
9.3 RESULTADOS DE LA SIMULACION 127
9.3.1 Información del análisis. 128
9.3.2 Esfuerzos de Von Mises. 129
9.3.3 Deformaciones Totales de Von Mises. 137
9.3.4 Energías. 142
9.4 COMPARACION DE RESULTADOS 147
9.4.1 Criterios. 147
9.4.2 Materiales bilineales. 148
9.4.3 Materiales compuestos. 149
9.5 SELECCIÓN DE LA CONFIGURACION 150
10. CONCLUSIONES 154
11. RECOMENDACIONES 161
12. BIBLIOGRAFIA 164