Fractura y fatiga de materiales compuestos de matriz polimérica empleados en palas de generadores eólicos de alta potencia

Abstract

La presente tesis abarcó las temáticas específicas de los fenómenos de fatiga por tensiones de corte interlaminar, fractura en Modo II, así como una verificación en 3D del modelo material elástico ortotrópico de materiales compuestos laminados que se emplean en palas de aerogeneradores. Se verificó el modelo de comportamiento elástico ortotrópico y la homogeneidad en 3D de una muestra de material obtenida durante la fabricación de una pala. Se observaron diferencias entre los coeficientes simétricos de la matriz de rigidez del material. Los valores de resistencias y constantes elásticas de cupones 2D obtenidos en laboratorio mostraron valores superiores a los de la muestra. Se observaron distintos tipos de defectos en la muestra de la pala. En fatiga por tensiones interlaminares, se hicieron ensayos empleando un dispositivo short-beam shear (SBS) y se compararon dos materiales laminados, uno con y otro sin una lámina de MAT denominada Unifilo. Se construyeron constant-life diagrams parciales, se evaluó el dispositivo de ensayo y la influencia del MAT. El compuesto con Unifilo presentó una menor performance tanto a fatiga SBS como cuasiestática. También se evaluó el efecto de la frecuencia de aplicación de carga en el compuesto sin Unifilo bajo tres niveles de amplitud de tensiones SBS, R=0.1 y frecuencias 1, 3, 6 y 10 Hz. La mayor diferencia entre los valores medios se dio para bajas frecuencias y bajos niveles de tensiones. Sin embargo, esta diferencia fue estadísticamente no significativa. En fractura Modo II, se evaluaron límites de aplicación tanto del ensayo con probetas 4ENF como del método de descargas parciales. Se evaluó el uso de módulos de elasticidad obtenidos de ensayos de flexión y compresión para el cálculo de GIIC. Se obtuvieron valores GIIC de iniciación y curvas R. Se observaron distintos tipos de defectos en el material, a los cuales se les atribuyó la dispersión de los resultados, diferencias en las curvas R, así como diferencias entre los valores obtenidos con las mediciones experimentales de compliance y los valores obtenidos con el modelo clásico de vigas. La diferencia entre emplear cualquiera de los dos módulos elásticos no fue significativa para el material evaluado. Además, se presenta un capítulo especial donde se describe un estudio de propiedades por corte interlaminar empleando el ensayo SBS con cargas cuasiestáticas y de fatiga en materiales laminados metálicos reforzados con fibras (Arall y Glare). Para el Glare se hicieron ensayos cuasiestáticos y de fatiga SBS. Se discutió sobre la diversidad de modos de falla que se presentaron en fatiga y su validez. Fueron presentadas las curvas S-N de fatiga SBS para dos orientaciones principales del material. Para el Arall se obtuvieron los resultados con el dispositivo SBS según ASTM D2344 y con un dispositivo con diámetro de rodillos más pequeño. Se discutieron las limitaciones de los criterios de detención de ensayo que plantea la norma para las probetas estudiadas y el efecto de los nuevos rodillos. Se sugirieron modificaciones a la norma para extender su campo de aplicación.

The present thesis covers specific topics of interlaminar shear stress fatigue, Mode II fracture and a 3D verification of the orthotropic elastic model of laminated composite materials used in wind turbine blades. The orthotropic elastic model and the homogeneity of a material sample obtained during the manufacture of a wind turbine blade were verified in 3D. Differences between the symmetrical coefficients of the material elastic stiffness matrix were observed. The strength values and the elastic constants of the sample were lower than values from 2D coupons obtained in the laboratory. Different types of defects in the material sample of the blade were observed. Regarding to interlaminar shear fatigue, tests using the short-beam shear (SBS) device were performed and two laminated material, one with a MAT layer called Unifilo and another without it, were compared. Partial constant life-time diagrams were built. The test device and the influence of Unifilo were evaluated. The composite with Unifilo presented a lower performance in quasi-static SBS strength and SBS fatigue. The effect of loading frequency was also evaluated in the composite without Unifilo layer. Test were performed at three SBS stress amplitude levels, R = 0.1 and frequencies 1, 3, 6 and 10 Hz. The differences between the mean values were larger at low frequencies and low stress levels. However, these differences were statistically not significant. Tests with 4ENF specimens and unloading compliance method were performed to obtain Mode II fracture toughness and their limits were evaluated. The use of flexural or compressive moduli of elasticity for GIIC estimation was analyzed with the aid of the classical theory of beams. The difference resulted not significant. Initiation GIIC values and R-curves were obtained. Defects of different types were observed in the studied material. The scatter in the results, the differences in the R-curves, as well as the differences between the values obtained with the experimental compliance measurements and the classic beams theory were attributed to these defects. In addition, a special chapter describing a study of interlaminar shear stress properties using the SBS test with quasi-static and fatigue loads in fiber reinforced metal laminates (Arall and Glare) was included. Quasi-static and SBS fatigue tests were performed in Glare. Various failure modes were observed in SBS fatigue tests and their validities were discussed. The S-N curves for SBS fatigue at two main material orientations were presented. For Arall, results with the SBS device according to ASTM D2344 and with a device with reduced roller diameters were performed. The limitations of the criteria for test stopping according to the standard and the effect of the new roller diameters were discussed. Modifications to the standard to extend its scope were suggested.