Micromecánica del fracaso
La teoría de la micromecánica de la falla tiene como objetivo explicar la falla de los compuestos reforzados con fibras continuas mediante el análisis a microescala de las tensiones dentro de cada material constituyente (como la fibra y la matriz), y de las tensiones en las interfaces entre esos constituyentes, calculadas a partir de las tensiones macro en el nivel de la capa. [1]
Como una teoría de falla completamente basada en la mecánica, se espera que la teoría proporcione análisis más precisos que los obtenidos con modelos fenomenológicos como los criterios de falla de Tsai-Wu [2] y Hashin [3] [4] , siendo capaz de distinguir el constituyente crítico en la capa crítica en un laminado compuesto.
El concepto básico de la teoría de la micromecánica de la falla (MMF) es realizar una jerarquía de análisis micromecánicos, comenzando por el comportamiento mecánico de los constituyentes (la fibra, la matriz y la interfaz), luego pasando al comportamiento mecánico de un capa, de un laminado, y eventualmente de una estructura completa.
Los constituyentes y una lámina unidireccional están vinculados a través de un modelo micromecánico adecuado, de modo que las propiedades de la capa se pueden derivar de las propiedades constituyentes y, por otro lado, las microesfuerzos en el nivel constituyente se pueden calcular a partir de las macroesfuerzos en el nivel de la capa.
A partir del nivel constituyente, es necesario idear un método adecuado para organizar los tres constituyentes de modo que la microestructura de una lámina UD esté bien descrita. En realidad, todas las fibras de una capa UD están alineadas longitudinalmente; sin embargo, en la vista de la sección transversal, la distribución de las fibras es aleatoria y no hay un patrón regular distinguible en el que se dispongan las fibras. Para evitar esta complicación causada por la disposición aleatoria de las fibras, se realiza una idealización de la disposición de las fibras en una lámina UD y el resultado es el patrón de empaquetamiento regular de las fibras. Se consideran dos patrones regulares de empaquetamiento de fibras: la matriz cuadrada y la matriz hexagonal. Cualquier matriz se puede ver como una repetición de un solo elemento, una celda unitaria con nombre o un elemento de volumen representativo(RVE), que consta de los tres constituyentes. Con condiciones de contorno periódicas aplicadas, [5] una celda unitaria puede responder a cargas externas de la misma manera que lo hace todo el arreglo. Por lo tanto, un modelo de celda unitaria es suficiente para representar la microestructura de una capa UD.
La distribución de tensiones a nivel del laminado debido a las cargas externas aplicadas a la estructura se puede obtener mediante el análisis de elementos finitos (FEA) . Las tensiones en el nivel de la capa se pueden obtener mediante la transformación de las tensiones del laminado del sistema de coordenadas del laminado al sistema de coordenadas de la capa. Para calcular aún más las microtensiones a nivel constituyente, se emplea el modelo de celda unitaria. Las microtensiones en cualquier punto dentro de la fibra/matriz y las microtracciones superficiales en cualquier punto interfacial están relacionadas con las tensiones de las capas , así como con el incremento de temperatura a través de: [6]
