A validated finite element framework to realise the potential of thermoelastic stress analysis for quantitative studies of laminated CFRP structures

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Abstract

El análisis termoelástico de tensiones (ATT) cuantitativo de estructuras laminadas de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) plantea un desafío significativo, ya que el cambio de temperatura inducido por la tensión, causado por el efecto termoelástico, está influenciado por la transferencia de calor. Se produce conducción de calor tanto en el plano como a través del espesor, impulsada principalmente por los cambios bruscos de las tensiones en las interfaces de las capas (plies) en un laminado multidireccional. En la mayoría de los materiales, la carga cíclica a frecuencias suficientemente altas minimiza la transferencia de calor. Sin embargo, debido al elevado grado de anisotropía tanto en las propiedades térmicas como mecánicas del CFRP, no se dan condiciones adiabáticas a las frecuencias de carga alcanzables. Para comprender el acoplamiento termomecánico en el CFRP, se presenta una evaluación experimental exhaustiva de un modelo de elementos finitos (EF) a meso-escala existente, capaz de reproducir la fuente de calor termoelástica capa por capa. Así, se crea un marco de modelado validado que permite realizar ATT cuantitativo en componentes estructurales de CFRP. Se establece que el modelo es capaz de predecir con precisión los efectos de diferentes frecuencias de carga, secuencias de apilamiento (layups), regiones ricas en resina y el efecto de la capa superficial necesaria de pintura mate negra. El enfoque de modelado se demuestra mediante una exigente validación experimental seguida de su aplicación en un laminado cuasi-isótropo típico. Se presenta una aplicación práctica, en la que se evalúa un componente de CFRP con propiedades del material desconocidas para demostrar la utilidad del marco de modelado. [Traducción automática al español; idioma original: inglés.]