CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un útil para la realización de ensayos de compresión en materiales compuestos que han sufrido previamente un impacto, y más en particular, en materiales compuestos de bajo espesor.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Actualmente, está cada vez más extendido el uso de estructuras realizadas en materiales compuestos, que son aquellos que comprenden una matriz reforzada con fibra, puesto que son materiales que poseen excelentes propiedades específicas, presentando elevados valores de resistencia y rigidez con bajo peso. Este tipo de materiales son de gran utilidad en una extensa variedad de aplicaciones, como por ejemplo en aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales.

En este tipo de estructuras, es importante realizar ensayos para estudiar las propiedades residuales del material. Se realizan diversos ensayos sobre probetas realizadas en material compuesto, existiendo normativa que regula los mencionados ensayos. Así, se conoce la normativa americana de impacto ASTM D7136 que presenta un ensayo para medir la resistencia al daño de un material compuesto de matriz polimérica reforzada con fibra, frente a un impacto, así como la normativa americana de compresión ASTM D7137 que determina las propiedades de resistencia residual a la compresión de probetas dañadas realizadas en material compuesto, con matriz polimérica.

En concreto, uno de los ensayos más comúnmente realizados es el ensayo de compresión después de impacto realizado sobre probetas de material compuesto, comúnmente conocido como CAI, Compression After Impact. La normativa estándar que rige los ensayos de compresión después de impacto sobre materiales compuestos es la norma americana ASTM D7137 "Standard Test Method for compressive residual properties oí damaged polymer matrix composite plates", anteriormente citada. Consiste en un ensayo de compresión uniaxial que se lleva a cabo utilizando una probeta de material compuesto con un laminado simétrico y equilibrado, que ha sido dañada e inspeccionada previamente a la aplicación de la citada fuerza de compresión para el ensayo. El daño en la probeta se produce mediante la realización de un impacto fuera del plano de aplicación de la carga de compresión posteriormente aplicada.

Esta normativa actual para la determinación de la resistencia a compresión después de impacto permite ensayar laminados de material compuesto hasta un mínimo de alrededor de 4 mm de espesor. El problema que presentan los útiles conocidos en la actualidad para realizar ensayos de compresión después de impacto sobre laminados compuestos de bajo espesor, por debajo de los 4 mm, es que, con el útil conocido de la norma se produce el pandeo de las probetas de material compuesto antes de que se produzca el fallo por compresión después de impacto en las mismas, por lo que realmente no se es capaz de determinar lo que se quiere medir, que es el efecto de la compresión tras un impacto.

Dado que una gran mayoría de componentes estructurales poseen laminados de bajo espesor, del orden de 2 mm, se hace por tanto necesario poder proporcionar un útil que permita realizar ensayos de compresión después de impacto en estos laminados delgados.

Así, la presente invención está dirigida a solucionar esta problemática.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Así, es objeto de la presente invención proporcionar un útil que permita realizar de forma fiable el ensayo de compresión después de impacto sobre probetas realizadas en material compuesto, cualquiera que sea el espesor de dichas probetas, incluyendo un espesor por debajo de 4 mm.

El objetivo del útil de la presente invención es poder permitir realizar el ensayo a compresión después de impacto también en laminados delgados, con espesor inferior a 4 mm, realizados en material compuesto.

La principal dificultad en el ensayo de laminados de espesores pequeños es la disminución de la carga crítica de pandeo sobre las probetas a ensayar, de tal modo que se produce el pandeo de estas probetas antes de su rotura por compresión después de impacto, por lo que es necesario aumentar la estabilidad lateral de dichas probetas y poder así realizar el mencionado ensayo de compresión después de impacto.

De este modo, algunos de los requisitos que se deben tener en cuenta para el diseño del útil que permita realizar estos ensayos sobre laminados compuestos de bajo espesor son los siguientes:

- el laminado compuesto no debe alcanzar el esfuerzo crítico de pandeo, que en laminados delgados se produce antes debido al menor espesor, para lo que habrá que modificar algún parámetro en el útil que sea capaz de retrasarlo;

- el modo de fallo no debe producirse en la zona de aplicación de la carga de la probeta;

- no se deben producir aplastamientos locales ni pandeos en bordes libres de la probeta a ensayar;

- debe haber una correcta alineación en la aplicación de la carga sobre la probeta a ensayar, para no falsear los resultados obtenidos en el ensayo; - no debe haber interferencia con la zona dañada para que la progresión de daño se produzca adecuadamente;

- no se deben restringir los esfuerzos que se crean fuera del plano definido por la probeta como consecuencia de pandeos locales en la probeta que ha sufrido previamente impacto, pues dicha restricción daría como resultado que el daño sufrido por la probeta en impacto no progresase, de tal forma que la medida realizada por el útil no sería la perseguida; - el rozamiento de la probeta con el útil no debe ser fuente de imprecisión en los resultados obtenidos;

- debe existir un espacio que permita la deformación de la probeta durante la compresión;

por último, debe ser posible colocar galgas extensiómetricas que comprueben que el ensayo se ha realizado de forma correcta, es decir, que se haya producido compresión de la probeta tras un impacto previo, y que dicha probeta no haya sufrido pandeo previamente a la compresión. Cumpliendo con todos los requerimientos anteriormente mencionados, se ha diseñado el útil objeto de la presente invención, que es capaz de conseguir el estabilizado a pandeo de las probetas a ensayar mediante una pluralidad de elementos protuberantes en los que se apoya dicha probeta para conseguir el mencionado estabilizado a pandeo. Preferiblemente, estos elementos protuberantes tendrán la forma de nervios verticales. Además, el útil de la invención comprende una zona libre sin elementos protuberantes que evita que se interfiera en la progresión del daño. Así, con el útil de la invención, al reducirse la dimensión sin apoyo de la probeta sobre el útil con el que se realizará el ensayo se aumenta la carga crítica de pandeo, lo que contrarresta el efecto del menor espesor del laminado compuesto que configura la probeta a ensayar.

Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la siguiente descripción detallada de una realización ilustrativa y no limitativa de su objeto en relación con las Figuras que se acompañan.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 muestra en esquema el útil para la realización de ensayos de compresión en materiales compuestos objeto de la presente invención. Las Figuras 2a, 2b y 2c muestran en esquema los distintos componentes que forman el útil para la realización de ensayos de compresión en materiales compuestos objeto de la presente invención.

Las Figuras 3 y 4 muestran en detalle el sistema de estabilización mediante nervios verticales del útil para la realización de ensayos de compresión en materiales compuestos objeto de la presente invención (la Figura 3 muestra los nervios verticales dispuestos en la placa fija del útil, y la Figura 4 muestra los nervios verticales dispuestos en la placa móvil del útil).

Las Figuras 5a y 5b muestran la disposición de apoyo sobre las probetas a ensayar según la técnica anterior conocida y según un útil con nervios verticales según la presente invención, respectivamente.

La Figura 6 muestra en esquema los distintos componentes del útil para la realización de ensayos de compresión en materiales compuestos objeto de la presente invención.

Las Figuras 7a a 7e muestran distintas realizaciones posibles de las placas fija y móvil del útil para la realización de ensayos de compresión en materiales compuestos objeto de la presente invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

Así, según una realización preferida de la invención, se proporciona un útil 10 para la realización de ensayos de compresión en probetas materiales compuestos que puede emplearse en probetas de cualquier espesor, incluyendo aquellas probetas con espesor inferior a 4 mm.

El útil 10 comprende dos placas, 20 y 30: la placa 20 queda fijada a una base 40, mientras que la placa 30 es móvil con respecto a la placa 20, de tal modo que puede deslizarse paralelamente respecto a dicha placa 20. También es posible que las dos placas 20 y 30 sean fijas, si bien esta disposición serviría sólo para un determinado valor de espesor de la probeta 200 a ensayar. Para realizar el ensayo de compresión tras impacto sobre una probeta 200, se coloca dicha probeta 200 entre las placas fija y móvil 20 y 30. Según se detallará más adelante, las placas fija 20 y móvil 30 comprenden una pluralidad de elementos protuberantes, preferiblemente en forma de nervios, de tal modo que la probeta 200 queda apoyada sobre los elementos protuberantes de las placas fija 20 y móvil 30, durante la realización del ensayo a compresión. Además, el útil 1 0 comprende un elemento de fijación superior 50 que inmoviliza superiormente la probeta 200 a ensayar. Una vez que todo el conjunto anterior del útil 1 0 con la probeta 200 ha quedado debidamente colocado, se dispone dicho conjunto en la máquina de ensayos universal para realizar el ensayo de compresión. A su vez, la placa 20 fija comprende los correspondientes nervios 100 simétricos con respecto a los de la placa móvil 30, quedando los conjuntos de nervios 1 00 en las placas 20 y 30 enfrentados entre sí, disponiéndose la probeta 200 entre los mismos.

Según el ejemplo principal de la invención, los nervios 1 00 de las placas 20 y 30 están dispuestos de forma sustancialmente vertical con respecto a la base 40 de dicho útil 1 0.

Por otro lado, el útil 1 0 de la invención comprende una zona libre 1 1 sin nervios tanto en la placa 20 fija como en la placa móvil 30, siendo esta zona libre 1 1 preferiblemente de tamaño mayor que el tamaño el daño producido en la probeta 200 por impacto, de tal modo que dicha zona libre 1 1 sin nervios evita que dichos nervios 1 00 interfieran en la progresión del daño. Así, no se restringen los esfuerzos que se crean fuera del plano definido por la probeta 200 como consecuencia de pandeos locales en dicha probeta 200 que ha sufrido previamente un impacto, puesto que dicha restricción daría como resultado que el daño sufrido por la probeta en impacto no progresase, de tal forma que la medida realizada por el útil no sería la medida que se persigue, que es la de compresión tras un impacto. Así, con el útil 10 de la invención, al reducirse la dimensión que queda sin apoyo de la probeta 200 sobre el útil 1 0 se aumenta la carga crítica de pandeo (ver Fórmula 1 adjunta) de dicha probeta 200, lo que contrarresta el efecto del menor espesor del laminado que configura la probeta 200 a ensayar, de tal forma que el citado útil 1 0 puede emplearse para todo tipo de probetas, incluyendo aquellas con espesor inferior a 4 mm. Cumpliendo con todos los requerimientos anteriormente mencionados, se ha diseñado el útil 1 0 que es capaz de conseguir el estabilizado a pandeo de las probetas 200 a ensayar mediante una pluralidad de nervios 1 00 sustancialmente verticales, y con una zona libre 1 1 sin nervios. hórmüüa 1 donde:

Ocrit es la carga crítica de pandeo

t es el espesor de la probeta 200

E es el módulo elástico equivalente del material de que está hecha la probeta 200

b es el valor de la distancia corta entre apoyos que sujetan la probeta 200 sobre la que se realiza en ensayo

Así, las Figuras 5a y 5b muestran la estabilización lateral a pandeo de la probeta 200 al variar el valor de la distancia corta b entre apoyos. Así, para un mismo valor de espesor t de la probeta 200, a medida que se disminuye el valor de la distancia corta b entre apoyos, se aumenta el valor de la carga crítica de pandeo de dicha probeta 200, por lo que el pandeo de la misma se retrasa y se consigue que no afecte en la medida de compresión tras impacto a realizar.

Según se observa en las Figuras 3 y 4, los nervios 100 del útil 1 0 son preferiblemente del tipo filo de cuchillo, puesto que presentan una mínima superficie de contacto con la probeta 200 a ensayar: se busca obtener una línea de apoyo entre el útil 1 0 y la probeta 200 tal que simule un apoyo simple, evitando el pandeo de la probeta 200 y minimizando al mismo tiempo el rozamiento entre la probeta 200 y el útil 10, al tiempo que se ha de conseguir el compromiso de que los citados nervios 100 no se claven y dañen la probeta 200 que se va a ensayar. A su vez, los nervios 1 00 de las placas 20 y 30 comprenden una zona 42 redondeada superior, de tal modo que se evita que dichos nervios 1 00 se claven en la probeta para realizarse el ensayo. Así, el mecanizado de los nervios 1 00 tendrá las tolerancias adecuadas y redondeos precisos para evitar cualquier daño al operario por tener esquinas demasiado afiladas.

El material que forma el útil 1 0 objeto de la invención es preferiblemente acero, puesto que aumenta la robustez y durabilidad del mismo. También es posible realizar el útil 10 en teflón, siendo este material muy ventajoso a la hora de minimizar el rozamiento entre la probeta 200 y dicho útil 1 0.

La base 40 del útil 1 0 es preferiblemente circular y comprende un saliente perimetral 41 en su zona inferior, de forma que la citada base 40 quede encajada de forma rápida y sencilla en el plato inferior de la máquina universal de ensayos con la que se realiza el ensayo de compresión (ver detalle de Figura 2c). De este modo, se evita que el útil 1 0 pueda desplazarse o salirse de su posición a la hora de realizarse el ensayo de compresión en la probeta 200 en cuestión.

Para permitir el ensayo de compresión, el útil 1 0 de la invención comprende un hueco 1 01 (ver Figura 1 ) o espacio libre entre las placas fija y móvil, 20 y 30, una vez montadas junto con la probeta 200 a ensayar, y el elemento superior 50, de tal modo que, una vez que el útil 1 0 se monta en la máquina universal de ensayos de compresión, los platos de la misma aprieten a compresión la probeta 200, sin que el elemento superior 50 choque y se comprima sobre el conjunto formado por las placas fija y móvil, 20, 30.

Las uniones entre los diversos componentes del útil 10 se realizan preferiblemente mediante tornillos, manteniéndose los requisitos habituales de diseño de dimensionado y distancias a borde para dichas uniones.

La disposición superior e inferior del útil 10, mediante el elemento superior 50 y la base 40, respectivamente, en la máquina universal de ensayos de compresión ha de ser plana. Así, existen una serie de tolerancias críticas que el útil 10 de la invención ha de cumplir, de tal forma que se realice el ensayo correctamente, teniéndose que mantener estas tolerancias alrededor de los 0,02 mm:

- las superficies 45, 46 de la base 40 han de ser planas y paralelas entre sí; - las partes 203 de las placas fija 20 y móvil 30 han de ser perpendiculares a la base 40; - el plano que contiene los nervios 30 y las partes 203, tanto para la placa fija 20 como para la placa móvil 30, ha de ser perpendicular a la base 40;

- las partes 203 de las placas fija 20 y móvil 30 han de ser paralelas y planas entre sí;

- las superficies 501 y 502 del elemento superior 50 han de ser paralelas y planas entre sí;

- la superficie 503 del elemento superior 50 y la superficie 504 de la parte 52 han de ser paralelas y planas entre sí;

- la superficie 503 del elemento superior 50 ha de ser perpendicular a las superficies 501 y 502 de dicho elemento.

Según la invención, el diseño del número de nervios 1 00 del útil 1 0 así como el tamaño de la zona libre 1 1 sin nervios se calculan en función del espesor t de la probeta 200 que queramos ensayar, en concreto el espesor mínimo a ensayar de la misma, así como que el daño en la probeta 200 por impacto progrese libremente tras la compresión a que se está sometiendo a la misma en el ensayo. Se llega de esto modo a un compromiso entre ambos valores, puesto que, cuanto mayor sea el número de nervios 100, mayor será la carga crítica de pandeo y por tanto lo alejado que se estará de que la probeta 200 se dañe por pandeo antes que por compresión, pero la zona libre 1 1 sería más pequeña en este caso, con lo que existiría el riesgo de interferir en la progresión del daño. El útil 1 0 de la invención consigue la estabilización lateral de la probeta 200 que ensaya y consigue poder trabajar con probetas 200 de cualquier espesor, incluyendo aquéllas con espesor inferior a 4 mm.

Existe también la posibilidad, según otra realización posible del útil 1 0 de la invención, de disponer los nervios 100 en las placas 20 y 30 de forma sustancialmente horizontal, contenidos en un plano paralelo al plano que define la base 40 del útil 1 0.

A su vez, el elemento superior 50 del útil 1 0 puede comprender dos partes, 51 y 52, de tal modo que la parte 52 se desplaza paralelamente a la base 40 para ajustar sobre la parte 51 y dejar entre ambas la probeta 200. En el ensayo de compresión, el elemento superior 50 y la base 40 son las piezas que más sufren, por lo que estos elementos se realizan preferiblemente de un material metálico, comprendiendo un cementado posterior para aumentar su dureza.

La realización mostrada en la Figura 7d muestra la disposición de elementos 301 que sobresalen de ambas caras de las placas 20 y 30, de tal forma que presionan la probeta 200 cuando el útil queda montado. Según se desprende de la Figura 7d, la zona libre 1 1 de elementos 301 en este caso se consigue mediante una menor intensidad de dichos elementos 301 , para no interferir en el avance del daño de la probeta 200. Según lo que se ha mencionado, las características del útil 1 0 de la invención consisten en que las placas 20, 30 comprenden elementos protuberantes que pueden ser continuos (nervios 1 00) o bien discretos (elementos 301 ). A su vez, los elementos 301 pueden tener distintas formas, como se detalla en las Figuras 7a, 7b y 7c. En todos estos casos, se persigue aumentar el valor de la carga crítica de pandeo de la probeta 1 00 y, por tanto, la estabilidad lateral de la misma. Por otro lado, en todas las realizaciones presentadas, existe una zona libre 1 1 que se dispone de forma simétrica en las placas 20, 30 y que coincide con el área de daño por impacto de la probeta 200. La zona libre 1 1 tiene como objetivo no interferir en la progresión del daño en la mencionada probeta 200.

Según se muestra en la Figura 2, el mecanizado de la parte 203 y de los nervios 1 00 en la placa 20 (de forma idéntica ocurriría en la placa 30) se realiza a la vez, para que ambas superficies queden en un mismo plano, paralelo al plano definido por la probeta 200, de tal manera que se presione sobre la citada probeta 200 por igual, a la hora de colocar dicha probeta 200 entre las placas 20 y 30.

Aunque la presente invención se ha descrito enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro de su alcance, no considerando éste como limitado por las anteriores realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones siguientes.