Introducción Los compuestos se utilizan ampliamente en aplicaciones que necesitan propiedades mecánicas excepcionales combinadas con ahorro de peso. Los materiales compuestos poseen propiedades superiores debido a su microestructura única. Un compuesto es un sistema material que consta de dos o más materiales separados combinados en una unidad estructural macroscópica. A diferencia de los materiales tradicionales (como los metales@cerámica@y polímeros)@cuyas microestructuras son relativamente fijas@, los compuestos son altamente ajustables en términos de microestructura y propiedades mecánicas. Como resultado, los composites son una combinación deseable de las mejores propiedades de las fases constituyentes: pueden ser fuertes y livianos al mismo tiempo. Por ejemplo, los compuestos de fibra de carbono pueden ser más de 10 veces más resistentes y un 80 % más ligeros que los aceros. Con propiedades tan extraordinarias@, los compuestos se han convertido en la mejor opción para producir vehículos livianos [1-1]@ [1-2]@ [1-3]@ [1-4]@ [1-5]@ [1-6] @[1-7]@[1-8]. Los beneficios de los composites van mucho más allá del ahorro de peso. Los compuestos de matriz polimérica tienen un gran potencial para la integración de piezas@, lo que resultará en menores costos de fabricación y un tiempo de comercialización más rápido. Las piezas compuestas pueden tener costes de herramientas mucho menores que las metálicas. Los compuestos también tienen una resistencia a la corrosión mucho mejor que los metales y son más resistentes a daños@ como abolladuras y golpes@ que los aluminios. Los compuestos poliméricos poseen una amortiguación viscoelástica superior y, por lo tanto, proporcionan a los vehículos un rendimiento mejorado en cuanto a ruido@vibración@y dureza (NVH). Los compuestos también tienen un alto nivel de flexibilidad de estilo en términos de panel embutido @ más allá de lo que se puede lograr con estampados metálicos. Finalmente@ los materiales compuestos pueden poseer propiedades multifuncionales (mecánicas@ térmicas@ eléctricas@ y magnéticas) integrando varios componentes funcionales en las matrices poliméricas. Los llamados composites multifuncionales o inteligentes aportan importantes ventajas a los vehículos en comparación con los materiales tradicionales@ que sólo tienen propiedades monótonas. Aunque los beneficios de los compuestos son bien reconocidos, su uso en la industria automotriz ha enfrentado algunos desafíos técnicos. Un desafío técnico importante ha sido la falta de conocimiento en el diseño de compuestos. Tradicionalmente@ el sector de la automoción ha diseñado componentes estructurales utilizando materiales isotrópicos@ como aceros@ aluminios@ y plásticos. Las propiedades básicas del material necesarias para el diseño de una estructura homogénea son el módulo de Young (E) @ el índice de Poisson (n) @ y la resistencia a la falla (sf). Estas propiedades de materiales comunes, como el acero y el aluminio, están disponibles en manuales de materiales y recursos en línea, lo que hace que el proceso de diseño general de un componente estructural compuesto de un material isotrópico sea relativamente simple. En comparación, el diseño de estructuras que involucran materiales compuestos anisotrópicos es más desafiante y complicado. Un material compuesto es de naturaleza anisotrópica; es decir, las propiedades en un punto varían con la dirección de los ejes de referencia y están asociadas con la escala. Las propiedades básicas del material necesarias para el diseño de una estructura compuesta son las propiedades promedio de una lámina individual. A diferencia de los materiales isotrópicos convencionales cuyas propiedades (E@ n) están disponibles en varias fuentes de datos@, las propiedades de la lámina para un sistema compuesto no se pueden encontrar fácilmente. La razón principal es que esas propiedades dependen de las fracciones de volumen de fibra. Incluso para el mismo sistema compuesto, como el de fibra de carbono (compuesto epoxi), las propiedades básicas de la lámina varían dramáticamente debido a la cantidad de fibras utilizadas en el sistema. Por lo tanto, sería muy difícil establecer una base de datos completa sobre las propiedades de los materiales compuestos. El otro desafío técnico importante en el uso de materiales compuestos es la falta de herramientas de diseño efectivas (es decir, las herramientas de ingeniería asistida por computadora [CAE]). Aunque el sector automotriz ha estado utilizando rutinariamente métodos CAE para diversos análisis estructurales (estático@ dinámico@ durabilidad@ ruido y vibración@ etc.)@ las prácticas han involucrado principalmente materiales isotrópicos. Para materiales isotrópicos hay muchas opciones de software CAE y la precisión y exactitud de los modelos computacionales han aumentado significativamente con el tiempo. Sin embargo, para materiales compuestos de fibra anisotrópicos, existen pocos programas CAE que sean capaces de modelar compuestos. También faltan modelos suficientemente rigurosos para simular el sofisticado proceso de falla de las estructuras compuestas. Este libro se centra en el uso más reciente de los métodos CAE en el diseño y análisis de fallas de estructuras y materiales compuestos. Comienza con una breve introducción al diseño y análisis de fallas de materiales compuestos y luego presenta algunos ejemplos de diseño CAE innovadores recientes de estructuras compuestas realizados por ingenieros de los principales desarrolladores de CAE y fabricantes y proveedores de equipos originales (OEM) de automóviles.
SAE PT-166-2014 Historia
2014SAE PT-166-2014 Diseño CAE y análisis de fallas de compuestos automotrices