Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes. 2015

Andrés Bautista Villamil, MSc

Juan Pablo Casas Rodríguez, PhD

Maribel Silva Barrera, MSc

Alicia Porras Holguín, PhD

Caracterización Mecánica de

un sistema de Unión

Adhesiva de la aeronave

Calima T-90

CONTENIDO

• Introducción

• Caso de estudio

• Objetivos

• Metodología

• Resultados & análisis

• Conclusiones

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INTRODUCCIÓN

Materiales Compuestos:

• Alta resistencia y rigidez específica.

• Resistencia a la corrosión.

• Versatilidad en el diseño.

• Aplicaciones en industria aeroespacial,automotriz, naval y construcción

Uniones adhesivas:

• Alta relación resistencia-peso.

• Reducción concentradores de esfuerzos.

• Alto desempeño en condiciones de fatiga.

• Capacidad de unir diferentes adherentes y

superficies delgadas.

Deterioro progresivo de las propiedades

del material, causado por impactos

repetitivos de baja energía (< 10 J) y baja

velocidad (< 10 m/s).

Fatiga por impacto:

3

CASO DE ESTUDIO

Calima T90: Aeronave de entrenamiento de la Fuerza Aérea

Colombiana fabricada por la Corporación de la Industria Aeronáutica

Colombiana. Se han manufacturado 26 ejemplares y han acumulado

más de 10.000 horas de vuelo

Calima T90-D 4

Planteamiento del problema:

• Espesor de la unión (diferentes espesores de unión aplicados en la estructura de la aeronave)

• Longitud crítica de grieta desconocida en las uniones adhesivas de la aeronave

Uniones adhesivas en la estructura del Calima T-90

CASO DE ESTUDIO

5

OBJETIVOS

Analizar el efecto del espesor en la resistencia mecánica de un sistema de

unión adhesiva utilizada en la aeronave Calima T-90 de la FAC, bajo carga

cuasi-estática, impactos cíclicos y fatiga de amplitud constante (CAF).

Caracterizar el comportamiento en condiciones cuasi estáticas

del adhesivo y de las uniones de traslape simple frente a

cambios de espesor en el adhesivo.

Analizar el comportamiento de uniones adhesivas de traslape

simple para diferentes espesores sometidas bajo

impactos cíclicos y CAF.

Evaluar el efecto del espesor de la unión adhesiva en la tasa de liberación de energía crítica en

modo I de carga para condiciones cuasi estáticas de

carga.

Evaluar y analizar el efecto del espesor en la tasa de

crecimiento de grieta en modo I de bajo impactos cíclicos y CAF para diferentes espesores de

uniones adhesivas.

Objetivos específicos:

Objetivo general:

6

7

DOBLE VIGA EN CANTILEVER (DCB)

TRASLAPE SIMPLE (SLJ)

MODO DE CARGA Y PROBETAS

ADHESIVO SUSTRATO

METODOLOGÍA

Proyecto

Materiales

- Substrato: Tejido de fibra de vidrio 7781 8HS (±45º, 8 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎𝑠) – MGS L285 (Laminating resin) / MGS H287 (Hardener)

- Adhesivo: Rhino 1307 LV (Resin) / Rhino 3156 (Hardener) : FlockedCotton Fiber W200 (Filler)

Ensayos

Cuasi-estáticas

SLJ: ASTM D5868

DCB: ASTM D5528

Impactos cíclicos

SLJ: ASTM D5868

DCB: ASTM D5528

CAFSLJ: ASTM D3166

DCB: ASTM D5528

8

Espesor de unión SLJ DCB SLJ DCB

1/8 in

1/4 in

1/2 in

5 repeticiones 5 repeticiones

Cuasi-estática

8 niveles de

energía/carga 4

repeticiones por nivel

3 repeticiones

Impactos cícliclos / CAF

MANUFACTURA COMPUESTO

1 2 3

4 5 6

9

PREPARACIÓN ADHESIVO

100:20

100:24

100:16

10

RESULTADOS EXPERIMENTALES

Probetas de traslape simple bajo carga cuasiestática

Máquina universal de ensayos: : Instron 3367Velocidad de ensayo: 13mm/min

11

SEM fracture

surface X200

(SLJ 1/8 in)

ENSAYOS DE FATIGA POR IMPACTO

Dispositivo de impacto por proyección vertical de masas - DWIT

12

RESULTADOS ENSAYOS FATIGA

POR IMPACTO SLJ

Curvas de vida a la fatiga E - N

13

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

1 10 100 1000 10000

E[J

]

N

SLJ 1/8 in- mass 1 SLJ 1/4 in- mass 2

SLJ 1/4 in - mass 1 SLJ 1/2 in - mass 3

y = -0.187ln(x) + 6.0697

y = -0.123ln(x) + 7.7795

y = -0.137ln(x) + 9.1386

4

5

6

7

8

9

10

1 10 100 1000 10000

p [kg

m/s

]

N

SLJ 1/2in SLJ 1/4 in

SLJ 1/8 in Logarítmica (SLJ 1/2in)

Logarítmica (SLJ 1/4 in) Logarítmica (SLJ 1/8 in)

Curvas características de vida a la fatiga

por impacto p-N

Condiciones SLJ 1/8 in SLJ 1/4 in SLJ 1/2 in

Masa impactor [kg] 13.92 9.79 7.62

y = -151.9ln(x) + 2923.2R² = 0.9673

y = -176.4ln(x) + 3477.1R² = 0.9219

y = -109.4ln(x) + 1922.1R² = 0.9602

0

500

1000

1500

2000

2500

1000 10000 100000 1000000

Maxim

um

Forc

e [N

]

Cycles to failure (N)

SLJ 1/4in SLJ 1/8in

SLJ 1/2in Logarítmica (SLJ 1/4in)

Logarítmica (SLJ 1/8in) Logarítmica (SLJ 1/2in)

1

10

100

1000

1 10 100 1000 10000

Mo

men

tum

[kg

m/s

]

Cycles to failure (N)

Axial fatigue SLJ 1/2in Impact fatigue SLJ 1/2in

Axial fatigue SLJ 1/4in Axial fatigue SLJ 1/8in

Impact fatigue SLJ 1/4in Impact fatigue SLJ 1/8in

Las uniones SLJ probadas bajo fatiga de amplitud constante falllan en un número de ciclos similar a las probadas bajo impactos cíclicos cuando el momento linear es un orden de magnitud mayor

ENSAYOS CAF PROBETAS SLJ

ENSAYOS EN PROBETAS DCB

Determinación de la tasa de liberación de energía crítica en modo I de carga

Máquina universal de ensayos: Instron 3367Velocidad de ensayo: 1mm/min

Desgarro de fibras y delaminación del compuesto 15

ENSAYOS EN PROBETAS DCB

16

Mode I fracture toughness

Mode I critical strain energy

release rate as a function of

crack length of a ¼ in DCB specimen

Modified Beam Theory Method

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ENSAYOS EN PROBETAS DCB

La velocidad de crecimientode grieta bajo impactoscíclicos es tres órdenes de magnitud mayor a la correspondiente bajo fatigade amplitud constante

CONCLUSIONES

• El incremento del espesor en la capa de adhesivo en uniones de

traslape simple disminuye la vida a la fatiga por impacto de la junta.

• El aumento de la tasa de deformación en el impacto genera una

reducción en la vida a la fatiga de la unión debido a un incremento

en la absorción de energía de esta.

• El incremento del espesor del adhesivo en uniones tipo doble viga

en cantiléver no influye significativamente en la tasa de propagación

de grieta (da/dN) ni en el threshold debido al mecanismo de falla

interlaminar de estas uniones.

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El fenómeno de fatiga por impacto resulta ser más crítico para la

resistencia de uniones adhesivas que el fenómeno de fatiga

sinusoidal de amplitud constante, generando una diferencia entre 2 y

3 órdenes de magnitud en el número de ciclos para falla y en la

velocidad de propagación de grieta.

GRACIAS

Structural Integrity Group (GIE)

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