Simulación por elementos finitos del ensayo de nanoindentación para la caracterización de materiales biológicos

Navarro Ausere, Borja
García Aznar, José Manuel (dir.) ; Valero Lázaro, Clara (dir.)

Universidad de Zaragoza, EINA, 2015
Departamento de Ingeniería Mecánica, Área de Mec. de Medios Contínuos y Teor. de Estructuras

Graduado en Ingeniería Mecánica

Resumen: Uno de los ensayos más utilizados para la caracterización de las propiedades mecánicas de materiales es el de tracción uniaxial. Sin embargo, estos ensayos no permiten caracterizar determinados materiales muy blandos, como por ejemplo los materiales biológicos. Para determinar correctamente las propiedades de estos materiales, se han desarrollado otros métodos basados en indentación, como el que utiliza el microscopio de fuerza atómica (AFM). Con este trabajo se pretende investigar, utilizando modelos de simulación basados en elementos finitos, el comportamiento de algunos materiales, entre ellos los biológicos. De esta manera, mediante la obtención de determinadas propiedades, se puede entender y definir el modo en el que se van a comportar estos materiales ante determinados esfuerzos. Para ello se ha llevado a cabo la simulación de ensayos de nanoindentación, mediante el programa de simulación por elementos finitos Abaqus/CAE 6.12, de tal forma que se ha desarrollado un modelo paramétrico, que permite la simulación de cualquier casuística de ensayo con un microscopio de fuerza atómica. Para la simulación de este tipo de ensayos, se han utilizado modelos de comportamiento con distintas propiedades mecánicas, empezando por los materiales más sencillos (material elástico lineal) para llegar a los más complejos (material hiperelástico anisótropo fibrado). Los resultados obtenidos muestran el fuerte comportamiento no lineal que tienen estos materiales hiperelásticos, el cual se intensifica conforme aumenta la profundidad de la indentación, y por tanto la deformación. En el caso del modelo de comportamiento del material hiperelástico anisótropo fibrado, se ha observado la enorme influencia que tienen las direcciones de las familias de fibras que lo forman. Por último, se han analizado los resultados comparándolos con el modelo teórico de Hertz, que es el más utilizado para determinar experimentalmente las propiedades mecánicas en este tipo de ensayos. Se ha observado cómo se comporta la ley de Hertz para los modelos de comportamiento simulados, y se ha concluido, que para poderse utilizar la ley de Hertz, es necesario aplicar una corrección. Sin esta corrección, las predicciones del modelo teórico distan sustancialmente de las de elementos finitos, especialmente para materiales con comportamiento fuertemente no lineal.

Tipo de Trabajo Académico: Trabajo Fin de Grado