A pesar de la complejidad del proceso de falla por extrusión de uniones atornilladas de materiales compuestos

A pesar de la complejidad del proceso de falla por extrusión de uniones atornilladas de materiales compuestos, su falla por extrusión es causada principalmente por la descompresión de las fibras y la matriz [9]. Las fallas de compresión de las fibras incluyen microgrietas y flexión de las fibras. Cuando se alcanza un valor crítico de la relación entre la tensión de cizallamiento exterior y la tensión de tracción a lo largo de la dirección del espesor, se desencadena una flexión local de la fibra, lo que provoca daños por compresión que comienzan en la capa más externa de 0° [10]. Mientras que la flexión de las fibras causa que las fibras se doblen, formando bandas de torsión. Según el análisis de sensibilidad, el aumento de la proporción de revestimientos a 0° aumenta la resistencia a la extrusión de las uniones atornilladas de materiales compuestos [11]. Alternativamente, la estratificación se puede inhibir mediante la adopción de una sola capa gruesa, lo que resulta en una mayor fuerza de extrusión [12]. Las fallas de extrusión en las uniones atornilladas de laminados compuestos que utilizan una capa simple gruesa son una combinación de cuatro modos de daño: torsión y plegamiento de la fibra, grietas de la matriz en cuña, separación fibra-matriz y aplastamiento [12]. La microflexión de las fibras y el agrietamiento de la matriz son los principales modos de inicio del daño, mientras que las grietas de cizallamiento en la dirección del espesor dominan el proceso de daño progresivo [12].

02 diseño reforzado para conexiones de perno de material compuesto

2.1 diseño mejorado con mangas de metal incrustadas o tuercas insertadas en agujeros

Los investigadores propusieron un diseño de refuerzo local de la unión de tornillo mediante la ampliación del orificio de la unión de tornillo compuesta y la inserción de una manguera metálica o tuerca en el orificio del tornillo [13-23], como se muestra en la figura 5.

Nilsson[13], del instituto sueco de investigación aeronáutica, encontró que las mangas de acero y aluminio incrustadas en los agujeros del cerrojo aumentaban la carga de falla de las uniones atornilladas de compuesto de fibra de carbono/resina epoxi (CF/EP) en un 20% y un 29%, respectivamente, sin alterar el modo de falla de extrusión original; La extracción de pegamento para pegar las mangas de acero y aluminio aumentó la carga de falla en un 32% y 57%, respectivamente, pero también hizo que los modos de falla pasen de la extrusión a la desactivación de la tracción y la extensión y la desactivación de las capas de pegamento, como se muestra en la figura 6. Camanho et al. [14] mejoraron el diseño de las uniones de cerrojo de material compuesto CF/EP pegando una manga de aluminio con un extremo cónico en el agujero del cerrojo, elevando la carga de falla de las uniones de cerrojo en un 24%. Xing lifeng et al. [15] encontraron que la manguera de acero incorporada en el agujero del perno podía aumentar la carga de falla de las uniones de perno de material compuesto CF/EP en un 14%.

En la figura 7 se muestra un nuevo modelo de diseño de manga de metal [16-19] propuesto por Akbarpour y hallstr öm. Este diseño requiere la integración de una capa delgada de metal en la posición de apertura del laminado compuesto durante el proceso de fabricación del compuesto.

Incorporaron la manga de acero en un laminado compuesto CF/EP y diseñaron tres opciones de refuerzo [16], como se muestra en la figura 8. La resistencia A la extrusión de las tres estructuras reforzadas se probó mediante pruebas y se encontró que las configuraciones A, B y C aumentaron la resistencia A la extrusión de las uniones atornilladas de composite CF/EP en 61%, 50% y 12%, respectivamente.

También estudiaron el efecto del ancho de los laminados compuestos CF/EP en el refuerzo de la manga de acero [17] y encontraron que el refuerzo apenas se ve afectado por el ancho del laminado, pero cuando el ancho es pequeño, el modo de falla cambia de falla por extrusión a deformación plástica en el borde del agujero. Además, examinó el efecto de este método de refuerzo en la resistencia de las uniones de clavija simple y de dos clavija de los materiales de laminación CF/EP mediante pruebas experimentales, y ambos encontraron un aumento más notable en la resistencia, pero un cambio inevitable en el modo de falla.

Además, compararon el material de la manga con el efecto de mejora [18] y encontraron que la manga de acero podía aumentar la fuerza de extrusión de los laminados compuestos CF/EP entre un 50% y un 60%, mientras que la manga de titanio aumentaba su fuerza de extrusión entre un 35% y un 45%. Ambos tipos de mangueras permiten un aumento de 40% a 45% en la resistencia de la unión de dos clavija en el material de laminado CF/EP.

Recientemente, Xu et al. [20] han utilizado manguitos metálicos para lograr el ajuste de interferencia de conexiones de perno de material compuesto CF/EP y han encontrado que la adición de manguitos metálicos para el ajuste de interferencia puede aumentar la carga de falla inicial de la unión de perno en un 33% y la resistencia final en un 12% en comparación con las conexiones de perno con ajuste de interferencia convencional, sin cambiar el modo de falla de extrusión original.

Con respecto a las uniones de perno de material compuesto de polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP), Mara et al. [21] encontraron a través de estudios de prueba que las mangas de acero pegadas en los agujeros pueden elevar la carga de falla de las uniones de perno de compuesto de fibra de vidrio/poliéster (GF/PET) en un 14% y mantener el modo de falla de extrusión original, Al mismo tiempo, la deformación plástica de la manga alivia el grado de deformación por extrusión del agujero. Wang guojiie [22] fraccionó mediante simulaciones numéricas el efecto de elevación de tuercas de acero incrustadas en la resistencia de las uniones atornilladas de material compuesto de fibra de vidrio/poliuretano (GF/PU).

El mecanismo de refuerzo del método anterior es convertir la unión de perno de material compuesto en la unión de perno de metal a través de la acción de transición de la manga de metal o tuerca, de modo que la resistencia de la unión de perno de material compuesto se eleve. Este método no solo cambia la distribución de tensión en el borde del agujero, sino que también evita daños en el borde del agujero debido a la instalación repetida del perno. También se puede utilizar para reparar agujeros que contienen daños en conexiones atornilladas. Sin embargo, la desventaja es que la introducción de mangas metálicas y tuercas ha dado lugar a un aumento considerable en el peso de las uniones atornilladas de material compuesto.

2.2 diseño mejorado con capas delgadas o convexos añadidos localmente en el exterior/entre las capas

Los investigadores propusieron un diseño de mejora local para la unión de atornillado mediante la adición de capas delgadas o la colocación de convexos circulares en el exterior o entre las capas de la zona cercana al agujero del cerrojo [22, 24-26], como se muestra en la figura 9.

Zhang jifeng et al. [24] encontraron que los diseños de refuerzo con la adición de espuma rígida, una capa fina de aluminio y una capa fina de material compuesto entre las capas aumentaban la carga de falla en un 7,7%, 76% y 106%, respectivamente, en una unión de cerrojo compuesto de fibra de vidrio/etileno (GF/PE), y un 44% con la adición externa de una capa fina de material compuesto, como se muestra en la figura 10. Ninguno de estos diseños de aumento de fuerza cambia el modo de falla de extrusión original.

Viet et al. [25] han comparado el efecto de elevación de capas delgadas de GFRP con diferentes esquemas de colocación en la resistencia de las uniones de tornillo del compuesto GF/PET. Como se puede ver en la figura 11, el efecto de elevación de resistencia aumenta significativamente con el número de capas; Cuando se normaliza con el número de revestimientos o la calidad de las fibras, el efecto de elevación de la resistencia es casi constante. Se puede ver que el efecto de elevación de la resistencia de este ajuste de refuerzo está relacionado con el número de fibras.

Wang guojie [22] aumentó en un 28% la carga de rotura de las uniones atornilladas de material compuesto de GF/PU a través del diseño de una bujía circular en el orificio del cerrojo. Para las conexiones de tornillo de composite reforzadas con boquillas de composite, Muc y Ulatowska[26] han optimizado el diseño de refuerzo local optimizando el ángulo de colocación de la dimensión de fibra de las boquillas.

El mecanismo de refuerzo del método anterior hace que el material del borde del agujero de la unión de perno de material compuesto se engrose localmente, aumentando el área que soporta la carga y, por lo tanto, elevando la capacidad de carga de la unión de perno. La desventaja es que la adición de material metálico aumenta el peso de la estructura de unión y cambia su configuración geométrica.

2.3 diseño mejorado con la adición de una capa delgada de metal en general

Como se muestra en la figura 12, los investigadores propusieron un diseño mejorado para uniones atornilladas de material compuesto mediante la adición de finas capas de metal entre las capas de todo el laminado [15, 27].

Kolesnikov et al. [27] estudiaron el efecto de la adición de capas delgadas de titanio con diferentes contenidos entre las capas de laminados de material laminado CF/EP revestidos a 0° sobre la resistencia de la unión de tornillo. En la figura 13 se puede observar que la resistencia específica aumenta significativamente con el contenido de titanio y disminuye lentamente después de alcanzar el pico. Esto se debe a que el aumento de la resistencia se ralentiza con el contenido de titanio, mientras que la densidad de la aleación de titanio es mayor que la densidad del compuesto. Alternativamente, el patrón de desactivación cambia con el aumento del contenido de titanio.