Experimental and numerical dynamic analysis of press-formed viscoelastic sandwich structures

Resumen

En esta tesis doctoral se ha analizado, tanto de forma experimental como numérica, el comportamiento dinámico de estructuras sándwich delgadas y conformadas mediante procesos de transformación de chapa. Las estructuras sándwich estudiadas están compuestas por dos capas metálicas y un núcleo, que es un film viscoelástico. En los procesos de conformado, el núcleo viscoelástico se ve sometido a una deformación debido al desplazamiento relativo de las dos capas metálicas. Para determinar correctamente la respuesta dinámica de estructuras sándwich conformadas, es necesario conocer la dependencia de las propiedades dinámicas del núcleo viscoelástico con la frecuencia, la temperatura y la predeformación. El núcleo viscoelástico se ha caracterizado en función de la frecuencia, la temperatura y la predeformación mediante dos técnicas experimentales. La dependencia con la frecuencia se ha establecido mediante un nuevo método de análisis a partir de la respuesta dinámica obtenida con la técnica de vibraciones forzadas con resonancia. El método desarrollado permite identificar las propiedades dinámicas de materiales viscoelásticos con alto amortiguamiento y fuerte dependencia en frecuencia en un ancho de banda amplio. Por otro lado, la influencia de la temperatura y la predeformación se ha determinado mediante ensayos de vibraciones forzadas sin resonancia (dynamic mechanical analysis). Finalmente, las propiedades dinámicas identificadas con ambas técnicas experimentales se han complementado para cubrir un ancho espectro. La influencia de cada variable se ha descrito mediante diferentes modelos constitutivos de material. Así, la dependencia con la frecuencia se ha caracterizado mediante un modelo fraccionario de cuatro parámetros, la temperatura se ha incluido aplicando el principio de superposición frecuencia- temperatura con el modelo de Arrhenius; y por último, la influencia de la predeformación se ha definido con un nuevo modelo constitutivo de material que actualiza la dependencia con la frecuencia en función del nivel de predeformación. En cuanto al análisis teórico, se presenta un nuevo método numérico basado en las derivadas de orden superior de los autovalores y autovectores para el análisis dinámico de estructuras con amortiguamiento viscoelástico en el dominio de la frecuencia. Se proponen dos esquemas, uno iterativo para determinar los parámetros modales complejos, y otro incremental para el cálculo de la respuesta dinámica mendiante la superposición de modos complejos. El método propuesto, una vez validado, se ha aplicado en el análisis dinámico de estructuras sándwich tanto planas como conformadas. La eficacia y la eficiencia del nuevo método se ha demostrado con un análisis comparativo de los resultados que proporciona, con los obtenidos por los métodos clásicos. Por último, la influencia de la predeformación en el comportamiento dinámico de estructuras sándwich conformadas se ha analizado mediante ensayos experimentales. Se ha determinado la distribución de la predeformación originada en el núcleo y se ha estudiado su influencia en los parámetros modales y en la respuesta dinámica de vigas dobladas con diferentes ángulos. De este análisis se demuestra la relevancia de la predeformación en el comportamiento dinámico de estructuras sándwich conformadas.