Interacción Matriz-Fibra: Simulación Numérica Utilizando el Método de los Elementos Discretos

Abstract

El estudio detallado de los procesos de ruptura en materiales sólidos teniendo en cuenta su
microestructura en varias escalas es un tema que hoy en día ocupa varios investigadores. Es de gran importancia tecnológica conocer el comportamiento del material mecánico en sus diversas escalas para determinar, entre otras cosas, cómo los parámetros que gobiernan dicho comportamiento pasan de una escala a otra.
De esta manera podemos acercarnos a la idea de crear materiales a medida. En este contexto, el proceso de ruptura del conjunto formado por una fibra embebida en una matriz continua está lejos de ser resuelto, y es el foco de nuestro trabajo. Este sistema estructural se degrada de manera compleja, y es necesario tener en cuenta las discontinuidades entre las fases que ocurren desde el principio del proceso de degradación. En el presente trabajo se pretende investigar el proceso de daño inicial que ocurre cuando una fibra embebida en una matriz fisurada es solicitada en dirección perpendicular a la dirección de la fisura. La fisura corta en dos partes a la matriz estudiada, siendo la responsabilidad de la fibra unir ambas partes de la matriz. Es llevado a cabo un estudio paramétrico de variables como el ángulo relativo entre fisura y fibra y posición donde la fibra atraviesa la fisura. Los resultados se miden en términos de curvas de daño versus tiempo, estado tensional, e imágenes de las configuraciones dañadas del sistema estudiado. Los parámetros que rigen esta primera etapa del proceso de daño influyen sensiblemente en como avanza el proceso de fractura.
El Método de los Elementos Discretos formado por barras (MED) será utilizado como herramienta numérica para simular el problema en estudio. Este método se caracteriza por simular el continuo como un arreglo de barras con rigidez equivalente al continuo que se quiere representar. La masa se concentra en los nodos y la ecuación de movimiento que resulta de la discretización espacial se realiza mediante un esquema explícito de integración. La gran ventaja de este método consiste en capturar con relativa facilidad la ruptura y la fragmentación del sólido. Los resultados obtenidos se discuten con el fin de caracterizar mejor el daño inicial en el proceso de ruptura. Por último, se presentan las conclusiones relacionadas con el desempeño del MED para analizar este tipo de problemas.