Fatiga en CFRP: Caracterización y Método Óptico para la Estimación del Daño

El desarrollo de nuevas estructuras aeroespaciales optimizadas, utilizan materiales compuestos, para los componentes críticos y subsistemas, principalmente polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP). Un conocimiento profundo del estado de daño por fatiga de estructuras de CFRP avanzado, es esencial para predecir la vida residual y optimizar los intervalos de inspección estructural, reparaciones y/o sustitución de componentes. Las técnicas actuales se basan principalmente en la medición de cargas estructurales a lo largo de la vida útil de la estructura mediante galgas extensométricas eléctricas. Con esos datos, se estima la vida a fatiga utilizando modelos de acumulación de daño. En la presente tesis, se evalúa la metodología convencional para la estimación de la vida a fatiga de un CFRP aeronáutico. Esta metodología está basada en la regla de acumulación de daño lineal de Palmgren-Miner, y es aplicada para determinar la vida a fatiga de estructuras sometidas a cargas de amplitud variable. Se ha realizado una campaña de ensayos con cargas de amplitud constante para caracterizar un CFRP aeronáutico a fatiga, obteniendo las curvas clásicas S-N, en diferentes relaciones de esfuerzo. Se determinaron los diagramas de vida constante, (CLD), también conocidos como diagramas de Goodman, utilizando redes neuronales artificiales debido a la ausencia de modelos coherentes para materiales compuestos. Se ha caracterizado la degradación de la rigidez debido al daño por fatiga. Se ha ensayado un segundo grupo de probetas con secuencias estandarizadas de cargas de amplitud variable, para obtener la vida a fatiga y la degradación de rigidez en condiciones realistas. Las cargas aplicadas son representativas de misiones de aviones de combate (Falstaff), y de aviones de transporte (Twist). La vida a fatiga de las probetas cicladas con cargas de amplitud variable, se comparó con el índice de daño teórico calculado en base a la regla de acumulación de daño lineal convencional. Los resultados obtenidos muestran predicciones no conservativas. Esta tesis también presenta el estudio y desarrollo, de una nueva técnica de no contacto para evaluar el estado de daño por fatiga de estructuras de CFRP por medio de cambios de los parámetros de rugosidad. La rugosidad superficial se puede medir fácilmente en campo con métodos sin contacto, mediante técnicas ópticas tales como speckle y perfilómetros ópticos. En el presente estudio, se han medido parámetros de rugosidad superficial, y el factor de irregularidad de la superficie, a lo largo de la vida de las probetas cicladas con cargas de amplitud constante y variable, Se ha obtenido una buena tendencia de ajuste al correlacionar la magnitud de la rugosidad y el factor de irregularidad de la superficie con la degradación de la rigidez de las probetas fatigadas. Estos resultados sugieren que los cambios en la rugosidad superficial medida en zonas estratégicas de componentes y estructuras hechas de CFRP, podrían ser indicativas del nivel de daño interno debido a cargas de fatiga. Los resultados también sugieren que el método es independiente del tipo de carga de fatiga que ha causado el daño. Esto último hace que esta técnica de medición sea aplicable como inspección para una amplia gama de estructuras de materiales compuestos, desde tanques presurizados con cargas de amplitud constante, estructuras aeronáuticas como alas y colas de aeronaves cicladas con cargas de amplitud variable, hasta aplicaciones industriales como automoción, entre otros. ABSTRACT New optimized aerospace structures use composite materials, mainly carbon fiber reinforced polymer composite (CFRP), for critical components and subsystems. A strong knowledge of the fatigue state of highly advanced (CFRP) structures is essential to predict the residual life and optimize intervals of structural inspection, repairs, and/or replacements. Current techniques are based mostly on measurement of structural loads throughout the service life by electric strain gauge sensors. These sensors are affected by extreme environmental conditions and by fatigue loads in such a way that the sensors and their systems require exhaustive maintenance throughout system life. In the present thesis, the conventional methodology based on linear damage accumulation rules, applied to determine the fatigue life of structures subjected to variable amplitude loads was evaluated for an aeronautical CFRP. A test program with constant amplitude loads has been performed to obtain the classical S-N curves at different stress ratios. Constant life diagrams, CLDs, where determined by means of Artificial Neural Networks due to the absence of consistent models for composites. The stiffness degradation due to fatigue damage has been characterized for coupons under cyclic tensile loads. A second group of coupons have been tested until failure with a standardized sequence of variable amplitude loads, representative of missions for combat aircraft (Falstaff), and representative of commercial flights (Twist), to obtain the fatigue life and the stiffness degradation under realistic conditions. The fatigue life of the coupons cycled with variable amplitude loads were compared to the theoretical damage index calculated based on the conventional linear damage accumulation rule. The obtained results show non-conservative predictions. This thesis also presents the evaluation of a new non-contact technique to evaluate the fatigue damage state of CFRP structures by means of measuring roughness parameters to evaluate changes in the surface topography. Surface roughness can be measured easily on field with non-contact methods by optical techniques such as speckle and optical perfilometers. In the present study, surface roughness parameters, and the surface irregularity factor, have been measured along the life of the coupons cycled with constant and variable amplitude loads of different magnitude. A good agreement has been obtained when correlating the magnitude of the roughness and the surface irregularity factor with the stiffness degradation. These results suggest that the changes on the surface roughness measured in strategic zones of components and structures made of CFRP, could be indicative of the level of internal damage due to fatigue loads. The results also suggest that the method is independent of the type of fatigue load that have caused the damage. It makes this measurement technique applicable for a wide range of inspections of composite materials structures, from pressurized tanks with constant amplitude loads, to variable amplitude loaded aeronautical structures like wings and empennages, up to automotive and other industrial applications.

Optical sensing of the fatigue damage state of CFRP under realistic aeronautical load sequences

We present an optical sensing methodology to estimate the fatigue damage state of structures made of carbon fiber reinforced polymer (CFRP), by measuring variations on the surface roughness. Variable amplitude loads (VAL), which represent realistic loads during aeronautical missions of fighter aircraft (FALSTAFF) have been applied to coupons until failure. Stiffness degradation and surface roughness variations have been measured during the life of the coupons obtaining a Pearson correlation of 0.75 between both variables. The data were compared with a previous study for Constant Amplitude Load (CAL) obtaining similar results. Conclusions suggest that the surface roughness measured in strategic zones is a useful technique for structural health monitoring of CFRP structures, and that it is independent of the type of load applied. Surface roughness can be measured in the field by optical techniques such as speckle, confocal perfilometers and interferometry, among others.

Effect of a variable delay in delayed dynamical systems

We report numerical evidence of the effects of a periodic modulation in the delay time of a delayed dynamical system. By referring to a Mackey-Glass equation and by adding a modula- tion in the delay time, we describe how the solution of the system passes from being chaotic to shadow periodic states. We analyze this transition for both sinusoidal and sawtooth wave mod- ulations, and we give, in the latter case, the relationship between the period of the shadowed orbit and the amplitude of the modulation. Future goals and open questions are highlighted.

Modelización de reacciones químicas en presencia de un campo electromagnético variable

En esta tesis se aborda el estudio del proceso de isomerización del sistema molecular LiNC/LiCN tanto aislado como en presencia de un pulso láser aplicando la teoría del estado de transición (TST). Esta teoría tiene como pilar fundamental el hecho de que el conocimiento de la dinámica en las proximidades de un punto de silla de la superficie de energía potencial permite determinar los parámetros cinéticos de la reacción objeto de estudio. Históricamente, existen dos formulaciones de la teoría del estado de transición, la versión termodinámica de Eyring (Eyr38) y la visión dinámica de Wigner (Wig38). Ésta última ha sufrido recientemente un amplio desarrollo, paralelo a los avances en sistemas dinámicos que ha dado lugar a una formulación geométrica en el espacio de fases que sirve como base al trabajo desarrollado en esta tesis. Nos hemos centrado en abordar el problema desde una visión fundamentalmente práctica, ya que la teoría del estado de transición presenta una desventaja: su elevado coste computacional y de tiempo de cálculo. Dos han sido los principales objetivos de este trabajo. El primero de ellos ha sido sentar las bases teóricas y computacionales de un algoritmo eficiente que permita obtener las magnitudes fundamentales de la TST. Así, hemos adaptado con éxito un algoritmo computacional desarrollado en el ámbito de la mecánica celeste (Jor99), obteniendo un método rápido y eficiente para la obtención de los objetos geométricos que rigen la dinámica en el espacio de fases y que ha permitido calcular magnitudes cinéticas tales como el flujo reactivo, la densidad de estados de reactivos y productos y en última instancia la constante de velocidad. Dichos cálculos han sido comparados con resultados estadísticos (presentados en (Mül07)) lo cual nos ha permitido demostrar la eficacia del método empleado. El segundo objetivo de esta tesis, ha sido la evaluación de la influencia de los parámetros de un pulso electromagnético sobre la dinámica de reacción. Para ello se ha generalizado la metodología de obtención de la forma normal del hamiltoniano cuando el sistema químico es alterado mediante una perturbación temporal periódica. En este caso el punto fijo inestable en cuya vecindad se calculan los objetos geométricos de interés para la aplicación de la TST, se transforma en una órbita periódica del mismo periodo que la perturbación. Esto ha permitido la simulación de la reactividad en presencia de un pulso láser. Conocer el efecto de esta perturbación posibilita el control de la reactividad química. Además de obtener los objetos geométricos que rigen la dinámica en una cierta vecindad de la órbita periódica y que son la clave de la TST, se ha estudiado el efecto de los parámetros del pulso sobre la reactividad en el espacio de fases global así como sobre el flujo reactivo que atraviesa la superficie divisoria que separa reactivos de productos. Así, se ha puesto de manifiesto, que la amplitud del pulso es el parámetro más influyente sobre la reactividad química, pudiendo producir la aparición de flujos reactivos a energías inferiores a las de aparición del sistema aislado y el aumento del flujo reactivo a valores constantes de energía inicial. ABSTRACT We have studied the isomerization reaction LiNC/LiCN isolated and perturbed by a laser pulse. Transition State theory (TST) is the main tool we have used. The basis of this theory is knowing the dynamics close to a fixed point of the potential energy surface. It is possible to calculate kinetic magnitudes by knowing the dynamics in a neighbourhood of the fixed point. TST was first formulated in the 30's and there were 2 points of view, one thermodynamical by Eyring (Eyr38) and another dynamical one by Wigner (Wig38). The latter one has grown lately due to the growth of the dynamical systems leading to a geometrical view of the TST. This is the basis of the work shown in this thesis. As the TST has one main handicap: the high computational cost, one of the main goals of this work is to find an efficient method. We have adapted a methodology developed in the field of celestial mechanics (Jor99). The result: an efficient, fast and accurate algorithm that allows us to obtain the geometric objects that lead the dynamics close to the fixed point. Flux across the dividing surface, density of states and reaction rate coefficient have been calculated and compared with previous statistical results, (Mül07), leading to the conclusion that the method is accurate and good enough. We have widen the methodology to include a time dependent perturbation. If the perturbation is periodic in time, the fixed point becomes a periodic orbit whose period is the same as the period of the perturbation. This way we have been able to simulate the isomerization reaction when the system has been perturbed by a laser pulse. By knowing the effect of that perturbation we will be able to control the chemical reactivity. We have also studied the effect of the parameters on the global phase space dynamics and on the flux across the dividing surface. It has been prove that amplitude is the most influent parameter on the reaction dynamics. Increasing amplitude leads to greater fluxes and to some flux at energies it would not if the systems would not have been perturbed.