Ingeniera Civil Mecánica / La constante búsqueda de la optimización de recursos en diversas áreas de la ingeniería a nivel mundial crea la necesidad del desarrollo de nuevos materiales y configuraciones estructurales. Es en este contexto, que nace la gama de estructuras compuestas, que corresponden a unidades constituidas por dos capas delgadas, envolviendo al centro de un material más liviano. Como resultado, se obtiene una estructura liviana pero con alta rigidez a la flexión, que tiene aplicaciones en diversas áreas de la ingeniería (aeroespacial, energética, transporte, entre otros). Por esto, resulta primordial contar con metodologías robustas para determinar y controlar la vida útil de los mismos. Este documento postula una herramienta para perfeccionar el trabajo realizado por un grupo de ingenieros del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile, en el desarrollo de un método de detección de delaminación en paneles compuestos tipo panal de abeja. En particular, se explora el uso análisis isogeométrico (IGA) con funciones de forma tipo NURBS (Non Uniform Rational B-Splines), las cuales poseen suavidad superior a las del método de elemento finito tradicional (FEM). Esta mayor suavidad debiera resultar en un mejor cálculo numérico de los modos de vibración del panel compuesto a estudiar. Dicho lo anterior, el objetivo general es calcular numéricamente los modos de vibración de una placa compuesta tipo panal de abeja, mediante IGA, con funciones de forma tipo NURBS. Para lograrlo, se plantean diversos objetivos específicos, entre los cuales se encuentra el entrenamiento en la utilización del método, cálculo de modos de vibración del panel compuesto y cálculo de correlación numérico experimental de modos obtenidos. Se considera una metodología iterativa, donde se seleccionan y varían los parámetros que definen el modelo (orden de las NURBS y tamaño de malla) en búsqueda del óptimo, que se define en base a precisión. Finalmente, se determina que el mejor modelo contiene NURBS de orden 12 en una malla de 50x30 elementos, con el cual se obtienen correlaciones casi perfectas en todos los modos a excepción del modo N°5, para el cual solo se alcanza un 93,9 % y no directamente sino que se requiere la aplicación de un procedimiento posterior de manipulación de datos. Además, se tiene un mayor requerimiento computacional, lo que pudiere mejorarse con algoritmos más eficientes de integración o la optimización del programa. Finalmente, pese a que no se constituye como un mejor método que FEM para análisis modal, IGA sí tiene un mejor desempeño en otro tipo de problemas (ej. pandeo de Euler).

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / El objetivo de esta investigación es desarrollar un algoritmo capaz de detectar, cuantificar y localizar daño en tiempo real en estructuras de material compuesto tipo panal de abeja, buscando delaminaciones entre las paredes y el núcleo. Para llevar a cabo este objetivo es necesario recopilar datos experimentales de frecuencias naturales y modos de vibración de placas con y sin delaminación, los que servirán para validar un modelo numérico de la estructura. El modelo numérico se construye en MATLAB. La estructura compuesta se modela con tres paneles unidos por resortes que representan a la capa de adhesivo. La delaminación se introduce como una disminución de rigidez local en los resortes. Las características mecánicas del modelo numérico son obtenidas mediante un método de ajuste de modelos que utiliza los datos experimentales de las placas con y sin delaminación. Con este modelo, se generó una base de datos de placas con distintos escenarios de delaminación que sirvieron para los métodos de identificación de daño evaluados. Se proponen dos métodos de aprendizaje supervisado para la identificación de daño, las redes neuronales artificiales y un método de interpolación lineal basado en el principio de máxima entropía. Ambos métodos de identificación de daño fueron evaluados por separado para así determinar cuál es el que identifica de mejor manera la existencia, magnitud y ubicación del daño. Para evaluar los métodos de identificación de daño, se realizó un estudio para determinar cuál es el o los parámetros que mejor determinan la delaminación. Los resultados indican que es necesario combinar la información de las frecuencias naturales y de los modos de vibración de la estructura. Para evaluar el método basado en redes neuronales, primero se estudió cual era la mejor configuración en cuanto a funciones de transferencia y porcentaje de utilización de datos para entrenamiento y validación de la red entre 12 posibles opciones. Luego de encontrada la configuración óptima se estudió cuál es el número de neuronas de la capa oculta que entrega mejores resultados. Se encontró que la mejor configuración correspondía a: 80 neuronas en la capa oculta, una proporción de casos de la base de datos para entrenamiento y validación de 90/10, función de transferencia entre el input y la capa oculta de Logsig y función de transferencia entre la capa oculta y output de Satlins. Se determinó que el entrenamiento de redes es un proceso que requiere de altos recursos computacionales y sin embargo no entrega resultados confiables. Por otra parte se trabajó con un algoritmo de aproximación lineal basado en el principio de máxima entropía, que utiliza la misma base de datos que las redes neuronales pero no requiere entrenamiento y que entrega resultados con la misma velocidad que las redes. Se obtuvo que este algoritmo permite encontrar con bastante exactitud el sector de la placa que se encuentra delaminado, con hasta un 10,5% de error en la ubicación y un 22,9% de error en el tamaño de la delaminación. Además, contrario a los resultados obtenido con las redes neuronales, el método de aproximación lineal no detecta delaminaciones en lugares que no corresponden (falsos positivos). Se decide entonces optar por el algoritmo de aproximación lineal basado en el principio de máxima entropía para la detección de daño ya que utiliza menos recursos, entrega información más acertada que las redes neuronales artificiales, y se detecta el daño con bastante precisión.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / Una estructura tipo sándwich consiste en dos placas exteriores delgadas de un material A y un núcleo grueso de material B (pudiendo ser ambos iguales), los que se unen con el uso de adhesivos en configuración A-B-A. Entre sus características destaca su excelente relación peso-resistencia, lo que ha hecho que tal tipo de construcción sea ampliamente usado en fuselaje de aviones, mamparos de barcos, incluso su uso se ha extendido a la construcción de aspas de turbinas eólicas. La delaminación es un problema que ataca a este tipo de estructuras y consiste en el despegamiento entre las placas exteriores y el núcleo, cuyo origen puede ser un golpe que pudiera sufrir la estructura o una fabricación defectuosa, entre otros. Detectar este tipo de falla es fundamental para evitar la falla catastrófica de la estructura para lo cual existen algoritmos de identificación de daño que utilizan los modos normales de vibración de la placa. Estos métodos requieren, en primer lugar, generar un modelo numérico o analítico que reproduzca los modos de vibración de la estructura con y sin daño. El objetivo general del presente trabajo es desarrollar un modelo numérico en Elementos Finitos de un panel tipo sándwich de capas externas de fibra de carbono con un núcleo de material Nomex. Para alcanzar el objetivo general se plantean como objetivos específicos aprender a usar el software de elementos finitos, desarrollar modelo con y sin daño tipo delaminación y ajustar el modelo a las mediciones experimentales existentes del panel. La metodología del proceso consiste en primer lugar aprender a usar el software de elementos finitos escogido, seguido del desarrollo del modelo, la determinación de las propiedades de los materiales o parámetros del modelo, el ajuste con datos experimentales y finalmente la evaluación del modelo. En caso de que la evaluación no sea positiva se vuelve a ajustar los parámetros del modelo y se repite el proceso. Respecto a los resultados, se obtienen correlaciones numérico-experimentales satisfactorias de 4 modos en el caso sin delaminación y 3 modos para el caso con delaminación.

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.

The main objective of the thesis is to assess the damage resistance and damage tolerance of the non-conventional dispersed laminates and compare the response with the conventional ones. However, part of the effort is spent on understanding the delamination behavior in multidirectional laminates. In the first part of the thesis, the delamination in multidirectional laminates is studied. The objective is to design a proper stacking sequence, capable of avoiding intralaminar damage (crack jumping), to enable the fracture toughness characterization under pure mode I. The result of this study shows that the higher the crack arm bending stiffness, the lower the tendency to crack jumping. This phenomenon is also studied experimentally and the same conclusion is drawn. / El principal objectiu de la tesi és valorar la resistència al dany i la tolerància al dany dels laminats no-convencionals dispersos i comparar la seva resposta amb la dels laminats convencionals. No obstant, part de l'atenció es dedica a comprendre el comportament de la delaminació en laminats multidireccionals. En la primera part de la tesi, s'analitza la delaminació en laminats multidireccionals. L'objectiu és dissenyar una seqüència d'apilament apropiada per evitar el dany intralaminar (migració de la delaminació) i permetre la caracterització de la tenacitat a la fractura en model. Els resultats d'aquests estudi mostren que a major rigidesa a flexió dels braços de l'esquerda, menor és la tendència a la migració de l'esquerda. Aquest aspecte també s'ha analitzat experimentalment, obtenint les mateixes conclusions.