En aquest treball s'ha realitzat una anàlisi de la junta T-bolt aplicada a la unió de laminats gruixuts amb elements metàl·lics. Més concretament, l'estudi es centra en el tipus de juntes T-bolt emprades en la unió entre les pales i la boixa de grans aerogeneradors, que constitueix una de les principals aplicacions d'aquest tipus de junta.En primer lloc, s'ha realitzat una anàlisi simplificada dels factors que influeixen al comportament de la junta, a partir del qual es justifica la necessitat de realitzar un estudi en profunditat dels estats d'esforços presents al laminat a la proximitats de la junta, i d'estudiar la seva resistència enfront dels diversos modes de trencament possibles.El següent punt desenvolupat és l'anàlisi d'esforços al laminat, per la qual cosa s'ha emprat un model tridimensional d'elements finits de la junta. Primerament, s'han analitzat els esforços per una geometria típica sota tres situacions de càrrega diferents, i s'ha determinat l'evolució de l'àrea de contacte entre el buló i el laminat. A continuació s'ha realitzat una comparació entre la distribució d'esforços de la T-bolt i la que presenten les juntes amb encavalcament. Finalment, s'ha analitzat la influencia de la curvatura del laminat en els resultats.Per a la determinació de la resistència del laminat a la zona de la junta, un dels obstacles principals consisteix en que, als dissenys normals de la T-bolt, el pern trenca molt abans que s'assoleixi la càrrega de trencament del laminat en algun dels seus modes possibles. Per aquest motiu s'ha hagut de dissenyar un utillatge especial que permetés introduir les càrregues necessàries. S'han realitzat assaigs per dos materials diferents, forçant per cada un d'ells el trencament en tensió neta i compressió local.Finalment, s'ha demostrat que és possible realitzar una predicció força acurada de la càrrega de trencament del laminat de la T-bolt, emprant com a dades de partida, per una banda, les càrregues de trencament a tensió neta i compressió local del laminat i, per l'altra, les distribucions d'esforços de la junta que es vol analitzar i de la proveta emprada per estimar els paràmetres anteriors.S'observa que el marge de seguretat per al trencament del laminat a les juntes T-bolt emprades actualment a la indústria eòlica és molt elevat (entre 3.5 i 5), el que indica que hi ha un cert marge per a la optimització de l'espessor del laminat, sempre que es consideri admissible l'aparició d'esquerdes a la matriu. / En el presente trabajo, se ha realizado un análisis de la junta T-bolt aplicada a la unión de laminados gruesos con elementos metálicos. Más concretamente, el estudio se centra en el tipo de juntas T-bolt utilizadas en la unión entre las palas y el buje de aerogeneradores de gran tamaño, que constituyen una de las principales aplicaciones de este tipo de juntas.En primer lugar, se ha realizado un análisis paramétrico simplificado de los diferentes factores que influyen en el comportamiento de la junta, a partir del cual se justifica la necesidad de realizar un estudio en profundidad de los estados de esfuerzos presentes en el laminado en las proximidades de la junta, y de estudiar su resistencia frente a los distintos modos de fallo posibles.El siguiente punto desarrollado es el análisis de esfuerzos en el laminado, para lo cual se ha utilizado un modelo tridimensional de elementos finitos de la junta. En primer lugar se han analizado los esfuerzos para una geometría típica bajo tres situaciones de carga distintas, y se ha determinado la evolución del área de contacto entre el bulón y el laminado. A continuación se ha realizado una comparación entre la distribución de esfuerzos de la T-bolt y la que presentan las juntas a solape. Finalmente, se ha analizado la influencia de la curvatura del laminado en los resultados.Para la determinación de la resistencia del laminado en la zona de la junta, uno de los obstáculos principales consiste en que, en los diseños típicos de la T-bolt, el vástago rompe mucho antes de que se alcance la carga de rotura del laminado en alguno de sus distintos modos. Por este motivo, se ha tenido que diseñar un utillaje especial que permitiera la introducción de las cargas necesarias. Se han realizado ensayos para dos materiales distintos, forzando, para cada uno de ellos, el fallo en tensión neta y compresión local.Finalmente, se ha demostrado que es posible predecir, con una buena aproximación, la carga de rotura del laminado de la T-bolt, utilizando como datos de partida las cargas de rotura del laminado en tensión neta y compresión local, y las distribuciones de esfuerzos de la junta a analizar y de la probeta utilizada para estimar los parámetros anteriores.Se observa que los márgenes de seguridad respecto al fallo del laminado en las juntas T-bolt utilizadas actualmente en la industria eólica es muy elevado (entre 3.5 y 5), lo que indica que existe un cierto margen para la optimización del espesor del laminado, siempre que se considere admisible la aparición de grietas en la matriz. / An analysis of the T-bolt joint, applied to the joining of thick laminates with metallic parts, has been carried out. The study is particularly focused on the kind of T-bolt joints used in the blade root - hub attachments of large wind turbines, which is one of the major applications of these joints.First, a simplified analysis of the factors affecting the joint behavior has been performed. From this simple analysis, it has been shown the necessity of in-depth studies of both the stress states of the laminate in the vicinity of the joint, and the strength of the laminate for its different failure modes.The next point that has been developed is the stress analysis of the laminate, which has been performed by means of a three-dimensional finite element model of the joint. First of all, the stresses and strains of a typical joint geometry under three different load situations have been calculated, and the evolution of the contact area between the nut and the laminate has been estimated. Next, a comparison between the stress states of the T-bolt joint and those of a double-lap joint has been carried out. Finally, the influence of the laminate curvature on the stress distributions has been evaluated.One of the main obstacles to the determination of the strength of the laminate in the joint zone is that, in the usual T-bolt designs, the stud fails far before the laminate has reached any of its ultimate loads. Therefore, special fixtures have been designed that are able to transfer the necessary loads to the joint. Tests have been performed using specimens made of two different laminates which have been designed to fail either in the net tension or the bearing mode.Finally, it has been shown that it is possible to accurately predict the laminate failure load using as input data, on one hand, the net tension and bearing strengths of the laminate, and, on the other, the stress distributions of both the T-bolt and the test specimen used in the estimation of the laminate strengths. It has been also shown that the safety factors against the laminate failure in a typical T-bolt design used nowadays in the wind turbine industry is quite high (between 3.5 and 5), which shows that there is still some margin for the optimization of the laminate thickness, providing that the presence of some matrix cracks is allowed.

The use of composite materials in industrial applications such as aeronautical, aerospace or wind energy production has greatly increased in recent decades. Due to their inherent properties, these materials allow lighter, larger and more resistant structures. However, the use of composite materials for components or structures with highly stringent requirements, is hampered by the lack of knowledge of their reliability. In this thesis, some fundamental aspects about the use of fibre Bragg grating (FBG) sensors for internal strain measurements in composite laminates are discussed. In addition, a highly accurate method for locating the crack tip position in mixed-mode delamination growth has been presented. Finally, an experimental application of FBGs to dynamic measurements in mode I fatigue test has been performed / L’ús de materials compostos en aplicacions de caràcter industrial com per exemple l’aeronàutica, aeroespacial o la de producció d’energia eòlica, ha crescut exponencialment durant les últimes dècades. Degut a les seves extraordinàries propietats, l’ús d’aquests materials permet la construcció d’estructures més lleugeres, grans i resistents, tot i que el seu ús en components d’alta responsabilitat estructural està limitat per la manca de coneixement en relació a la seva fiabilitat estructural. En aquesta tesi es discuteixen alguns aspectes significants sobre l’ús de FBGs per a mesurar camps de deformació en l’interior de laminats de material compòsit, s’ha analitzat també la capacitat de localització de la punta d’una esquerda en creixement de mode mixt i per últim s’ha desenvolupat una aplicació pràctica dels FBG en temps real en assaigs a fatiga en mode I

La majoria de les fallades en elements estructurals són degudes a càrrega per fatiga. En conseqüència, la fatiga mecànica és un factor clau per al disseny d'elements mecànics. En el cas de materials compòsits laminats, el procés de fallada per fatiga inclou diferents mecanismes de dany que resulten en la degradació del material. Un dels mecanismes de dany més importants és la delaminació entre capes del laminat. En el cas de components aeronàutics, les plaques de composit estan exposades a impactes i les delaminacions apareixen facilment en un laminat després d'un impacte. Molts components fets de compòsit tenen formes corbes, superposició de capes i capes amb diferents orientacions que fan que la delaminació es propagui en un mode mixt que depen de la grandària de la delaminació. És a dir, les delaminacions generalment es propaguen en mode mixt variable. És per això que és important desenvolupar nous mètodes per caracteritzar el creixement subcrític en mode mixt per fatiga de les delaminacions. El principal objectiu d'aquest treball és la caracterització del creixement en mode mixt variable de les delaminacions en compòsits laminats per efecte de càrregues a fatiga. Amb aquest fi, es proposa un nou model per al creixement per fatiga de la delaminació en mode mixt. Contràriament als models ja existents, el model que es proposa es formula d'acord a la variació no-monotònica dels paràmetres de propagació amb el mode mixt observada en diferents resultats experimentals. A més, es du a terme un anàlisi de l'assaig mixed-mode end load split (MMELS), la característica més important del qual és la variació del mode mixt a mesura que la delaminació creix. Per a aquest anàlisi, es tenen em compte dos mètodes teòrics presents en la literatura. No obstant, les expressions resultants per l'assaig MMELS no són equivalents i les diferències entre els dos mètodes poden ser importants, fins a 50 vegades. Per aquest motiu, en aquest treball es porta a terme un anàlisi alternatiu més acurat del MMELS per tal d'establir una comparació. Aquest anàlisi alternatiu es basa en el mètode dels elements finits i virtual crack closure technique (VCCT). D'aquest anàlisi en resulten importants aspectes a considerar per a la bona caracterització de materials utilitzant l'assaig MMELS. Durant l'estudi s'ha dissenyat i construït un utillatge per l'assaig MMELS. Per a la caracterització experimental de la propagació per fatiga de delaminacions en mode mixt variable s'utilitzen diferents provetes de laminats carboni/epoxy essencialment unidireccionals. També es du a terme un anàlisi fractogràfic d'algunes de les superfícies de fractura per delaminació. Els resultats experimentals són comparats amb les prediccions del model proposat per la propagació per fatiga d'esquerdes interlaminars. / Most of the failures in structural elements in use are a consequence of mechanical fatigue. Therefore, fatigue is a decisive factor in designing durable mechanical elements. In laminated composite materials, the fatigue process involves different damage mechanisms that result in the degradation of the material. One of the most important damage mechanisms is the delamination between plies of the laminate. In aeronautical applications, composite plates are sensitive to impact and delamination occurs readily in composite laminates on impact. Many composite components have curved shapes, tapered thickness and plies with different orientations, which make the delamination grow with a mode mix that depends on the extent of the crack. Thus, delaminations generally grow under varying mode mix. It is therefore important to develop methods that can characterise subcritical, mixed-mode growth in fatigue delamination. The main objective of the present investigation is the characterisation of the variable mixed-mode delamination in composite laminates under fatigue conditions. To this end, a mixed-mode fatigue delamination model is proposed. Oppositely to the mixed-mode fatigue delamination models present in the literature, the proposed model takes into account the non-monotonic variation of the propagation parameters with the mode mix observed in different experimental data. Moreover, the mixed-mode end load split (MMELS) test, which main characteristic is that the propagation mode of the interlaminar crack varies with the crack extent, is analysed. Two theoretical approaches present in the literature are considered. However, the resulting expressions for the MMELS test are not equivalent and the differences between approaches can be up to 50 times. A more accurate alternative analysis of the MMELS test is carried out in the present study for comparison. The alternative analysis is based on the finite element method and the virtual crack closure technique. Significant findings are found for precise materials characterisation using the MMELS test. A MMELS test rig is also designed and built. Different specimens of essentially unidirectional carbon/epoxy laminates are tested for the experimental characterisation of fatigue delamination under varying mode mix. A fractographic analysis is also conducted in some of the delaminated fracture surfaces. The experimental results are compared to the predictions of a proposed model for the fatigue propagation of interlaminar cracks.

Virtual tools are commonly used nowadays to optimize product design and manufacturing process of fibre reinforced composite materials. The present work focuses on two areas of interest to forecast the part performance and the production process particularities. The first part proposes a multi-physical optimization tool to support the concept stage of a composite part. The strategy is based on the strategic handling of information and, through a single control parameter, is able to evaluate the effects of design variations throughout all these steps in parallel. The second part targets the resin infusion process and the impact of thermal effects. The numerical and experimental approach allowed the identificationof improvement opportunities regarding the implementation of algorithms in commercially available simulation software. / Les eines de disseny virtual son usades de forma habitual per optimitzar el disseny i el procés productiu de peces de material compòsit reforçades amb fibra. Aquest treball es centra en dos àrees d’interès per la predicció de les prestacions de la peça i les particularitats del seu procés productiu. La primera part proposa una eina d’optimització multi-física per recolzar l’etapa de desenvolupament d’una nova peça. La estratègia es basa en la gestió intel•ligent de la informació a través d’un paràmetre de control comú, permeten l’avaluació dels canvis en totes les etapes en paral•lel. La segona part es centra en la infusió de resina, i particularment en l’impacte dels efectes tèrmics. Aquesta investigació numèrica i experimental ha permès la identificació de possibilitats de millora en la implementació d’algoritmes usats actualment en codis comercials de simulació.

La present tesi proposa una metodología per a la simulació probabilística de la fallada de la matriu en materials compòsits reforçats amb fibres de carboni, basant-se en l'anàlisi de la distribució aleatòria de les fibres. En els primers capítols es revisa l'estat de l'art sobre modelització matemàtica de materials aleatoris, càlcul de propietats efectives i criteris de fallada transversal en materials compòsits.El primer pas en la metodologia proposada és la definició de la determinació del tamany mínim d'un Element de Volum Representatiu Estadístic (SRVE) . Aquesta determinació es du a terme analitzant el volum de fibra, les propietats elàstiques efectives, la condició de Hill, els estadístics de les components de tensió i defromació, la funció de densitat de probabilitat i les funcions estadístiques de distància entre fibres de models d'elements de la microestructura, de diferent tamany. Un cop s'ha determinat aquest tamany mínim, es comparen un model periòdic i un model aleatori, per constatar la magnitud de les diferències que s'hi observen.Es defineix, també, una metodologia per a l'anàlisi estadístic de la distribució de la fibra en el compòsit, a partir d'imatges digitals de la secció transversal. Aquest anàlisi s'aplica a quatre materials diferents.Finalment, es proposa un mètode computacional de dues escales per a simular la fallada transversal de làmines unidireccionals, que permet obtenir funcions de densitat de probabilitat per a les variables mecàniques. Es descriuen algunes aplicacions i possibilitats d'aquest mètode i es comparen els resultats obtinguts de la simulació amb valors experimentals. / This thesis proposes a methodology for the probabilistic simulation of the transverse failure of Carbon Fibre Reinforced Polymers (CFRP) by analyzing the random distribution of the fibres within the composite. First chapters are devoted to the State-of-the-art review on the modelization of random materials, the computation of effective properties and the transverse failure of fibre reinforced polymers.The first step in the proposed methodology is the definition of a Statistical Representative Volume Element (SRVE). This SRVE has to satisfy criteria based on the analysis of the volume fraction, the effective properties, the Hill Condition, the statistics of the stress and strain components, the probability density function of the stress and strain components and the inter-fibre distance statistical distributions. Once this SRVE has been achieved, a comparison between a periodic model and a random model is performed to quantitatively analyze the differences between the results they provide.Also a methodology for the statistical analysis of the distribution of the fibre within the composite from digital images of the transverse section. This analysis is performed for four different materials.Finally, a two-scale computational method for the transverse failure of unidirectional laminae is proposed. This method is able to provide probability density functions of the mechanical variables in the composite. Some applications and possibilities of the method are given and the simulation results are compared with experimental tests.

En el trabajo se definen modelos constitutivos que permiten reproducir el proceso de fallo de estructuras de materiales compuestos en distintas escalas bajo cargas estáticas. Se define un modelo constitutivo para determinar la respuesta de estructuras de materiales compuestos mediante la teoría de laminados. El modelo es validado mediante un programa de ensayos experimentales con probetas con un agujero central geométricamente similares. Se muestra la capacidad del modelo de detectar el efecto tamaño.Se define un modelo constitutivo para materiales transversalmente isótropos bajo estados tridimensionales de tensión. El modelo se valida analizando numéricamente el proceso de agrietamiento de la matriz. Finalmente se desarrolla un modelo analítico para determinar el agrietamiento de la matriz y la delaminación entre las capas. / In this contribution a set of constitutive models are defined to reproduce the damage processes that takes place in laminated composites until failure at different scales under static loads.A damage model is defined to determine the structural response of composite structures by means of laminated theory. The validation of this model is done by comparing the numerical results with an experimental program on open hole test specimens. The ability of the model to reproduce the size effect in laminated composite is demostrated.A damage model for a transversely isotropic material under tridimentional stress states is defined. It is numerically validated analysing the process of matrix cracking in multidirectional composites.Finally an analytical model is defined that describes the onset and evolution of matrix cracking and delamination .