Examinación de modelos de micromecánica para la predicción de las constantes elásticas de materiales compuestos reforzados con fibras unidireccionales

Abstract

Numerosos modelos de micromecánica (MM) y modelos de elemento finito (MEF) se han reportado en la literatura como una alternativa eficaz y versátil a los ensayos para la determinación de las propiedades elásticas de materiales compuestos fibroreforzados unidireccionalmente. Sin embargo, la precisión de estos modelos simplificados es en ocasiones cuestionable y no existe un consenso internacional sobre el modelo más adecuado para cada propiedad material. Es por ello que en este trabajo se examinaron MM existentes con los cuales se pueden obtener las cinco constantes elásticas independientes (CEI) de materiales compuestos reforzados con fibras unidireccionales (MCU), comparando sus resultados contra MEF propios. La finalidad es presentar un conjunto de expresiones analíticas de los MM más pertinentes para predecir dichas CEI. Primeramente, los resultados de los MEF propios se compararon contra una gran variedad de resultados experimentales reportados, resultando en una comparación satisfactoria. Tomando como referencia los resultados de los MEF desarrollados, la examinación detallada de los MM demostró que para el módulo elástico longitudinal (E1) y la razón de Poisson longitudinal (12), el MM auto-consistente (Hill R., 1965, J. Mech. Phy. Sol., 13, 189-198) tuvo el mejor ajuste, con diferencias despreciables. Con relación al módulo elástico transversal (E2), el MM propuesto por Tsai y Hahn (Tsai S. W. y Hahn H. T., 1980, Introduction to composite materials) presentó un ajuste adecuado, con diferencias menores al 5% respecto al MEF propio. Concerniente a la razón de Poisson transversal (23), la propuesta realizada por Balacó de Morais (Balacó de Morais A., 2000, Comp. Sci. Tech., 60, 997-1002) manifestó el ajuste con la mínima diferencia, siendo esta menor al 5% para fracciones de volumen de fibra menores al 60% y para mayores fracciones de volumen de fibra la diferencia aumentó hasta un 10%. En cuanto al módulo cortante en el plano (G12) la propuesta de Hermans (Hermans J. J., 1967, Proc. Kon. Ned. Akad. Wet. B, 70, 1-9) resultó con el mejor ajuste, con diferencias despreciables. Se espera que el uso de estos modelos para predecir la respuesta de modelos estructurales más elaborados proporcione certidumbre, versatilidad y rapidez a los cálculos de la academia e industria.