API CEAC-TR-96-0103-1996 METODOLOGÍA DE PREDICCIÓN DE LA RESISTENCIA A LA FATIGA CÍCLICA A LARGO PLAZO PARA LAMINADOS DE FIBRACOMPUESTOS BAJO CARGA MULTIAXIAL
Introducción La fatiga cíclica de los laminados de compuestos de fibra ha sido un problema técnico importante desde que se introdujeron los compuestos en las aplicaciones de ingeniería hace décadas. Se necesita de manera crítica la capacidad de predecir con precisión la resistencia a la fatiga a largo plazo y la vida útil de una estructura laminada compuesta sometida a cargas multiaxiales. Es esencial en la evaluación del desempeño del diseño y la evaluación de la confiabilidad de estructuras compuestas en condiciones de servicio. Se reconoce que el desarrollo de una capacidad precisa de predicción de la vida por fatiga requiere una comprensión clara de la deformación cíclica y la evolución del daño asociado en el material compuesto y el establecimiento de una teoría cuantitativa de falla por fatiga basada en la mecánica que involucre tanto parámetros microscópicos del material como laminación macroscópica. y variables estructurales, así como modos de carga externos. El problema de predicción de la vida por fatiga de un laminado compuesto es obviamente complicado ya que están involucrados muchos problemas a diferentes escalas. Estos pueden incluir la identificación de varios modos de falla @ la evaluación de la evolución del daño y la degradación de las propiedades asociadas @ el establecimiento de criterios de falla multiaxial local al nivel de la capa @ la determinación precisa de la deformación y las tensiones de la capa @ y la investigación de los efectos de las cargas cíclicas sobre el daño y la falla del compuesto. Resulta obvio que las complejidades antes mencionadas son generalmente difíciles de abordar de manera cuantitativa@ ya que requieren un conocimiento profundo de las ecuaciones constitutivas de los materiales compuestos con cambios microestructurales en evolución@ microestructura compuesta heterogénea@ teoría continua de la mecánica del daño material@ modos desconocidos de falla por fatiga y sus asociados criterios de resistencia @ y una metodología adecuada de predicción de vida para los laminados compuestos sometidos a cargas multiaxiales complejas. En la literatura se han informado extensos estudios sobre la fatiga cíclica de compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras. Por ejemplo, @ Hashin y Rotem[l] y Awerbuch y Hashin[2] han proporcionado una gran cantidad de datos de pruebas de fatiga sobre el comportamiento cíclico de compuestos de vidrio/epóxido y carbono/epóxido. Se han utilizado métodos empíricos y semiempíricos para interpretar los datos de las pruebas de fatiga. También se han introducido intentos analíticos, como el propuesto por Hashin [3] sobre la fatiga de compuestos unidireccionales, para racionalizar los complejos fenómenos de falla por fatiga cíclica en laminados compuestos multicapa, pero solo han tenido un éxito limitado. Debido a la importancia de los problemas de fatiga en la seguridad y el rendimiento de la estructura compuesta a largo plazo, se han realizado y se están realizando muchos estudios. Sin embargo, aún queda por lograr el desarrollo de una metodología adecuada de predicción de la vida por fatiga@ basada en modos de falla observados físicamente con una formulación rigurosa de la mecánica de fatiga@. En el siguiente apartado@ se realiza una breve revisión de la literatura para valorar el estado actual del tema. Los objetivos y el alcance del trabajo en esta investigación se definen en la Sección 3. Con base en los modos fundamentales de falla por fatiga y los criterios de falla local obtenidos en varios estudios relacionados, en la Sección 4 se desarrolla una formulación de vida por fatiga basada en mecanismos físicos para laminados compuestos de fibra bajo carga general. En la Sección 5 @ se han realizado una serie de estudios para utilizar el método desarrollado actualmente para estudiar la falla por fatiga y la predicción de la vida útil de compuestos unidireccionales bajo carga fuera del eje y laminados compuestos de fibra multicapa bajo carga cíclica en el plano. También se ha hecho un gran esfuerzo aquí para abordar la vida útil de fatiga de los componentes tubulares laminados de fibra compuesta sujetos a carga axial cíclica combinada y presión interna. Los resultados demuestran claramente que el presente enfoque es capaz de evaluar la resistencia a la falla por fatiga y la vida del compuesto con significativa precisión y confianza.