Tobajas Alonso, Rafael
Gracia Villa, Luis (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2019
Resumen: En la actualidad, los materiales elastómeros están cobrando un gran protagonismo en la industria. Tales son sus aplicaciones y propiedades que muchos son los sectores donde este tipo de materiales encuentra un sitio relevante. Por ejemplo, en el sector de la construcción diversos componentes fabricados con estos materiales se utilizan como amortiguadores en casos de terremotos y en el sector de los electrodomésticos son usados para juntas aislantes e impermeables como en el caso de lavadoras y frigoríficos. Su uso está aún más extendido en sectores como la aeronáutica o la automoción. Además del uso de estos materiales para componentes tan relevantes como son los neumáticos, estos sectores también se plantean como reto aumentar la eficiencia de los motores reduciendo el consumo de combustible y el tamaño de los mismos de forma progresiva. Con ello, no sólo el bloque motor debe reducir su tamaño, sino también el resto de componentes, generando nuevos retos ingenieriles al requerir diseños más compactos y flexibles mediante el uso de materiales alternativos a los metales como son los elastómeros.
Las razones por las que estos materiales son ampliamente utilizados son sus propiedades mecánicas tales como su facilidad de deformación, durabilidad, reciclabilidad, y su relación precio/peso. Estos polímeros son capaces de alcanzar grandes deformaciones a tracción y compresión, y poseen unas muy buenas características de amortiguación, haciéndolos adecuados para el empleo en la disipación de energía cinética asociada a impactos, golpes y vibraciones. Por norma general, el uso de este tipo de materiales se centra en componentes que experimentan a lo largo de su vida útil no solo grandes deformaciones sino cargas cíclicas. Es por ello que es importante poder entender cuáles son los mecanismos de fallo resistente para poder así desarrollar diseños más seguros y competitivos.
Para asegurar la durabilidad de los componentes es indispensable centrarse en el fenómeno de fatiga. Este se describe como el fallo que experimenta un material cuando es sometido a cargas cíclicas de amplitud máxima inferior a su carga de rotura estática, y suele ser un punto crítico en el proceso de diseño de nuevos productos. La historia está repleta de catástrofes debidas a fallos por fatiga y es por ello que multitud de autores han investigado sobre el tema, siendo los materiales metálicos los más estudiados. Aunque existe una amplia bibliografía sobre el fenómeno de fatiga en metales, el número de publicaciones se reduce drásticamente para el estudio de la fatiga aplicada a materiales poliméricos y más concretamente a materiales elastómeros. Una de las principales razones de ello es que los elastómeros que se industrializan a día de hoy tienen poca antigüedad ya que empezaron a desarrollar en las décadas de 1970 y 1980. Otra razón principal es la compleja relación tensión-deformación que presentan estos materiales, que raramente es lineal presentando un comportamiento no lineal incluso para pequeñas deformaciones. Por si no fuera suficiente, estos materiales son sensibles a la velocidad de deformación, teniendo propiedades viscoelásticas, y también son sensibles a agentes ambientales como puedan ser la temperatura, el ozono, el envejecimiento, etc.
En este contexto, en esta Tesis Doctoral se desarrolla un modelo constitutivo de material como base para el desarrollo de un modelo de predicción de vida a fatiga y su aplicación en el diseño de componentes mecánicos. Estos desarrollos pretenden ser la base a futuro de un ahorro económico y una ventaja competitiva que supondrá tener un buen conocimiento del comportamiento de los materiales elastómeros frente al fenómeno de la fatiga, ya que los daños por fatiga siguen siendo de los más elevados en el diseño ingenieril al igual que las inversiones realizadas para su prevención.
Resumen (otro idioma):
Las razones por las que estos materiales son ampliamente utilizados son sus propiedades mecánicas tales como su facilidad de deformación, durabilidad, reciclabilidad, y su relación precio/peso. Estos polímeros son capaces de alcanzar grandes deformaciones a tracción y compresión, y poseen unas muy buenas características de amortiguación, haciéndolos adecuados para el empleo en la disipación de energía cinética asociada a impactos, golpes y vibraciones. Por norma general, el uso de este tipo de materiales se centra en componentes que experimentan a lo largo de su vida útil no solo grandes deformaciones sino cargas cíclicas. Es por ello que es importante poder entender cuáles son los mecanismos de fallo resistente para poder así desarrollar diseños más seguros y competitivos.
Para asegurar la durabilidad de los componentes es indispensable centrarse en el fenómeno de fatiga. Este se describe como el fallo que experimenta un material cuando es sometido a cargas cíclicas de amplitud máxima inferior a su carga de rotura estática, y suele ser un punto crítico en el proceso de diseño de nuevos productos. La historia está repleta de catástrofes debidas a fallos por fatiga y es por ello que multitud de autores han investigado sobre el tema, siendo los materiales metálicos los más estudiados. Aunque existe una amplia bibliografía sobre el fenómeno de fatiga en metales, el número de publicaciones se reduce drásticamente para el estudio de la fatiga aplicada a materiales poliméricos y más concretamente a materiales elastómeros. Una de las principales razones de ello es que los elastómeros que se industrializan a día de hoy tienen poca antigüedad ya que empezaron a desarrollar en las décadas de 1970 y 1980. Otra razón principal es la compleja relación tensión-deformación que presentan estos materiales, que raramente es lineal presentando un comportamiento no lineal incluso para pequeñas deformaciones. Por si no fuera suficiente, estos materiales son sensibles a la velocidad de deformación, teniendo propiedades viscoelásticas, y también son sensibles a agentes ambientales como puedan ser la temperatura, el ozono, el envejecimiento, etc.
En este contexto, en esta Tesis Doctoral se desarrolla un modelo constitutivo de material como base para el desarrollo de un modelo de predicción de vida a fatiga y su aplicación en el diseño de componentes mecánicos. Estos desarrollos pretenden ser la base a futuro de un ahorro económico y una ventaja competitiva que supondrá tener un buen conocimiento del comportamiento de los materiales elastómeros frente al fenómeno de la fatiga, ya que los daños por fatiga siguen siendo de los más elevados en el diseño ingenieril al igual que las inversiones realizadas para su prevención.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: ingenieria estructural ; elastomeros ; ensayo de materiales ; resistencia de materiales
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica
Plan(es): Plan 514
Departamento: Ingeniería Mecánica
Nota: Presentado: 21 06 2019
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Ingeniería Mecánica, 2019
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Registro creado el 2019-10-03, última modificación el 2021-05-20
