Contact/impact damage characterization using 3D digital image correlation for industrial applications

Resumen

El fenómeno de contacto producido en entre dos cuerpos mecánicos bajo la aplicación de una carga ha sido evaluado y analizado por gran cantidad de investigadores desde los primeros estudios llevados a cabo por Hertz. Recientemente, la técnica de correlación digital de imágenes en tres dimensiones (DIC-3D) ha experimentado un gran auge en el estudio de la mecánica experimental, al tratarse de una técnica óptica experimental de campo completo que se emplea para el análisis de desplazamientos y deformaciones en elementos mecánicos. Dicha técnica, muestra un gran potencial para la evaluación del contacto surgido entre una estructura plana y un sólido de revolución infinitamente rígido, como es el caso de una esfera. Mediante la obtención de los desplazamientos fuera de plano, se puede realizar un análisis de los desplazamientos introducidos tras la aplicación de una carga, traduciéndose en una deformación de la estructura debida a la flexión experimentada, así como el daño que genera la esfera al penetrar originando una identación. En relación a lo anteriormente indicado, el objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de una metodología experimental que permita la evaluación y cuantificación de los desplazamientos incurridos al aplicar carga entre una esfera y una probeta plana. Para ello, se ha desarrollado un set up que permite, a partir de la información proporcionada por la técnica DIC-3D, obtener la flexión que se está originando en la probeta durante el ensayo, al mismo tiempo que se obtiene la ley de contacto generada por la penetración de la esfera en ella. De tal modo, se puede evaluar la geometría del daño originado por contacto, observando el fenómeno desde la cara opuesta de la probeta a donde se está produciendo el contacto físico entre ambos cuerpos. La evaluación de la geometría del daño se puede obtener durante el transcurso del ensayo tanto en la carga como en la descarga. Además, se ha desarrollado una metodología para caracterizar geométricamente daños producidos por impactos, determinando parámetros geométricos como la profundidad, el área o volumen dañado, siendo analizada la pieza post impacto, permitiendo obtener una relación con la energía a la cual fue impactada la estructura. La metodología se ha implementado satisfactoriamente mediante la realización de ensayos en probetas cuadradas fabricadas en dos materiales distintos; aluminio AL 1050 y material compuesto (CYPLY® 1002 Reinforce Plastic). De esta forma se emplearon distintos espesores para analizar la influencia de la rigidez ante el daño generado por contacto y por la flexión producida en la probeta durante el ensayo. Por último, se ha evaluado el balance de energía obtenido durante los ensayos, analizando la energía transmitida y su transformación en generar daño por contacto y flexión, así como la energía recuperada debido al comportamiento elástico presente en los materiales ensayados. Además se ha cuantificado la energía que ha sido absorbida por la probeta, evaluando qué parte se ha absorbido por el daño generado en el contacto entre ambos cuerpos mecánicos y aquella energía que se ha absorbido por la deformación permanente presente en la probeta debido a la flexión de la misma. Así mismo, se ha realizado un estudio sobre la extrapolación de la metodología para el análisis de ensayos dinámicos en estructuras reales. Como conclusión, se pone de manifiesto la capacidad de la metodología experimental propuesta en el análisis de un problema de contacto con presencia de flexión en la estructura, así como el potencia de la técnica óptica DIC-3D para cuantificar la energía absorbida por la probeta durante un ensayo.