Diseño, fabricación y análisis de materiales compuestos de fibra de vidrio provistos con capas protectoras bioinspiradas que protejan el material frente al impacto repetitivo y continuo contra el agua
Authors:   , Omaña Lozada Anabelis Carolina 
Published: August 2024

In recent years, composite materials have been widely applied in many engineering fields due to their excellent properties (light weight, high strength, good stiffness/density ratio, etc.). In addition, the panel structure of this material has excellent bending and shear strength and extraordinary energy absorption capacity, which is why it has been frequently used in the hulls of ships and seaplanes. In the case of high-speed vessels, the repetitive impact of the composite hull material against the water (slamming effect) causes a water hammer pressure peak that can cause severe local structural damage and even the ultimate destruction of the integrated hull structure. Therefore, the objective of the present doctoral thesis has been the design, fabrication and analysis of fiberglass composite materials provided with bio-inspired protective layers that protect the material against repetitive and continuous impact against water.

The methodology used in the development of the doctoral thesis was mainly experimental, both for the design and fabrication of the composite material and the protective layer, and for the evaluation of its behavior against repetitive impact in contact with water.

Panels without protective coating were fabricated and then the strength of the material was compared to the panel with bioinspired protective coating. Destructive and non-destructive tests were performed on panels without protective layers. Among the former, free weight drop, Iosipescu shear and repetitive impact tests in contact with water (simulation of the slamming effect) were performed. The non-destructive test consisted of an ultrasonic analysis of the fabricated panels. This analysis made it possible to verify that no defects or pores had occurred in the manufacture of the panels that could affect the results obtained in the destructive tests.

Destructive tests in the affected area, namely shear tests (Iosipescu test) and drop-weight tests, make it possible to determine the loss of mechanical properties experienced by the material after receiving a high number of impacts in the presence of water (up to 900,000 impact cycles in some panels). In order to improve the performance of the material (GFRP) against repetitive impacts, the feasibility of incorporating protective layers with auxetic behavior was analyzed. The design of the protection layer had to be capable of absorbing the energy of the repetitive impacts that occur in the slamming effect.

In order to achieve maximum efficiency in this function, biodesign techniques were taken into account in the design of the protective layers, which allowed proposing a composition of materials and structure of the protective layer based on natural structures with proven resistance to repetitive impacts.

An experimental analysis was carried out to evaluate the performance under service-like conditions of the composite material with protective layers, analyzing both the advantages and limitations of using this material compared to other composite material alternatives that do not include protective layers. The same destructive and non-destructive tests were performed on the panels with bio-inspired protective layer, but increasing the number of cycles (up to 1,000,000 impact cycles in some panels) and it was found that the use of the bio-inspired protective layer reduces the damage in all the cases studied.

RESUMEN

En los últimos años, los materiales compuestos se han aplicado ampliamente en muchos campos de la ingeniería debido a sus excelentes propiedades (peso ligero, alta resistencia, buena relación rigidez/densidad, etc.). Además, la estructura en paneles de este material tiene una excelente capacidad de resistencia a esfuerzos de flexión y cizallamiento y una extraordinaria capacidad de absorción de energía por lo que se ha utilizado frecuentemente en el casco de barcos e hidroaviones. En el caso de embarcaciones de alta velocidad, el impacto repetitivo del material compuesto del casco contra el agua (efecto slamming) origina un pico de presión de golpe de ariete que puede causar graves daños estructurales locales e incluso la destrucción final de la estructura integrada del casco. Por ello, el objetivo de la presente tesis doctoral ha sido el diseño, fabricación y análisis de materiales compuestos de fibra de vidrio provistos con capas protectoras bioinspiradas que protejan el material frente al impacto repetitivo y continuo contra el agua.

La metodología que se utilizó en el desarrollo de la tesis doctoral fue fundamentalmente experimental tanto para el diseño y fabricación del material compuesto y de la capa protectora como para la evaluación de su comportamiento frente al impacto repetitivo en contacto con agua.

Se fabricaron paneles sin capa de protección para luego comparar la resistencia del material con el panel con capa protectora bioinspirada. Se realizaron ensayos destructivos y no destructivos a paneles sin capas de protección. Entre los primeros, se han realizado ensayos de caída libre de peso, de cizalladura Iosipescu y de impacto repetitivo en contacto con agua (simulación del efecto slamming). El ensayo no destructivo consistió en un análisis por ultrasonidos de los paneles fabricados. Este análisis permitió comprobar que en la fabricación de los paneles no se había producido defectos ni poros que pudieran afectar a los resultados obtenidos en los ensayos destructivos.

Los ensayos destructivos en la zona afectada, concretamente ensayos de cizalladura (ensayo Iosipescu), y ensayos de caída de peso permiten determinar la pérdida de propiedades mecánicas experimentadas por el material tras recibir un elevado número de impactos en presencia de agua (hasta 900.000 de ciclos de impacto en algunos paneles).

Con objeto de mejorar el comportamiento del material (GFRP) ante los impactos repetitivos se analizó la viabilidad de incorporar capas de protección con un comportamiento auxético. El diseño de la capa de protección debía ser capaz de absorber la energía de los impactos repetitivos que se producen en el efecto slamming. Para lograr la máxima eficiencia en esta función, en el diseño de las capas de protección se tuvo en cuenta técnicas de biodiseño que permitieron proponer una composición de materiales y estructura de dicha capa basada en estructuras de la naturaleza con resistencia contrastada a los impactos repetitivos.

Se realizó un análisis experimental para evaluar el comportamiento en condiciones similares a las de servicio del material compuesto con capas de protección, analizando tanto las ventajas como las limitaciones de utilizar este material frente a otras alternativas de materiales compuestos que no incluyan capas de protección. En los paneles con capa protectora bioinspirada se realizaron los mismos ensayos destructivos y no destructivos, pero aumentando el número de ciclos (hasta 1.000.000 de ciclos de impacto en algunos paneles) y se pudo comprobar que el uso de la capa protectora bioinspirada reduce el daño en todos los casos estudiados.