Mechanical behavior of rock joints: influence of joint roughness on its closure and shear behavior

En esta tesis se estudia la fricción en juntas rocosas utilizando el Método de Elementos Discretos (DEM). En particular, se estudia la influencia de la rugosidad de las superficies de la junta, la elasticidad, la fractura, y el nivel de carga de compresión sobre el comportamiento de cierre y de cizalla de las juntas rocosas. Por primera vez la rugosidad de las juntas considerada como auto-afín es utilizada para estudiar la fricción de juntas rocosas, la rugosidad se describe mediante tres parámetros: el exponente de rugosidad, la longitud de correlación auto-afín y la varianza de alturas. Mediante un algoritmo de computadora basado en métodos espectrales, ocho superficies autoafines isotrópicas con diferente rugosidad fueron creadas. Posteriormente, las ocho superficies fueron utilizadas como moldes para generar las juntas utilizando elementos discretos. Antes de realizar las simulaciones de compresión y cizallaura, se calibraron las propiedades elásticas y de fractura (criterio de fractura elíptico basado en esfuerzos) de las juntas numéricas a los datos experimentales (obtenidos previamente) de unas muestras de mortero mediante la utilización de un volumen elemental representativo (REV). Una vez que las propiedades mecánicas de las juntas se obtuvieron mediante la calibración del REV, se realizaron las pruebas de cierre (prueba de compresión) de las ocho juntas DEM. Se utilizaron dos niveles de esfuerzo de compresión para las pruebas de cierre: 14 MPa y 21 MPa. Después, las ocho juntas DEM fueron cizalladas en dos direcciones mutuamente perpendiculares. Para cada dirección de cizalla y cada nivel de esfuerzo de compresión (14 y 21 MPa), las juntas fueron cizalladas usando uno de los tres modelos mecánicos siguientes: 1) un modelo rígido, en el que las juntas no se pueden deformar, excepto en su superficie, 2) un modelo puramente elástico, en el que las juntas se pueden deformar en todo su volumen y 3) un modelo elástico con fractura en el que las juntas se pueden deformar en su volumen y, si el esfuerzo sobre las uniones entre partículas excede cierto nivel de esfuerzo máximo, las uniones se rompen de una manera irreversible. El uso de estos tres modelos mecánicos nos permitirá estudiar de manera sistemática: la influencia de la rugosidad (modelo rígido), la influencia de la elasticidad y rugosidad (modelo puramente elástico) y, finalmente, el efecto combinado de la rugosidad de las juntas, la elasticidad y la fractura (modelo elástico con fractura). El estudio de los resultados obtenidos de las simulaciones DEM es seguido por una análisis energético el cual permite estudiar la evolución de los diferentes tipos de energía en función del desplazamiento de cizalla: energía elástica almacenada en el sistema, energía de fricción entre elementos discretos, el trabajo relacionado con la dilatación de la junta y la energía disipada por el amortiguamiento interno del DEM.

Conductividad térmica en aleaciones de aluminio usadas en la manufactura de componentes de motores de combustión interna

Las aleaciones de aluminio son ampliamente utilizadas en la industria automotriz, principalmente en aplicación automotriz (cabezas y monoblocks), donde la extracción de calor es crítica para la eficiencia del motor. Este trabajo presenta los resultados de una serie de pruebas realizadas para evaluar la conductividad térmica en aleaciones de aluminio, en un rango de temperaturas desde temperatura ambiente hasta 300°C mediante la variación de las condiciones de tratamiento térmico. Las aleaciones de aluminio analizadas en este estudio fueron: AlCu5Mg, AlSi7Mg, AlSi7MgCu0.5, AlSi8Cu3Mg y AlSi7Cu3Mg, se vaciaron en moldes de arena en forma de cuña con una templadera de hierro en la parte inferior para promover la solidificación direccional. Se evaluaron tres perfiles de solidificación caracterizados por el grado de refinación de su microestructura (20, 30 y 50 µm equivalente a una aleación tipo 319 AlSi7Cu3Mg) para simular diferentes zonas de los componentes automotrices. Muestras de cada aleación fueron sometidas a tratamiento térmico (solución, temple y envejecido artificial), como medio de temple se utilizó agua y aire. Las muestras de cada condición de tratamiento térmico y perfil de solidificación fueron sometidas a un envejecido posterior de 200 hr para simular las condiciones de temperatura a las cuales están expuestos los motores de combustión interna y fueron evaluadas cuatro temperaturas: 150°C, 200°C, 250°C y 300°C. Los resultados muestran que la conductividad térmica es incrementada en muestras con un espaciamiento dendrítico secundario fino y con un medio de temple en agua. 1 El post-envejecido, al cual se sometieron las muestras, fue la condición del tratamiento que incrementó en mayor medida el valor de conductividad térmica. El contenido de cobre en la aleación presenta un incremento en la conductividad térmica de la aleación, principalmente en temperaturas de post-envejecido que sobrepasan los 200°C.