Proyecto Fin de Carrera: Optimización de Estructuras Sándwich

Proyecto Fin de Carrera: Optimización de Estructuras Sándwich del Interior de
Aviones Comerciales sometidos a Impactos de Baja Velocidad.
Resumen
Este proyecto presenta los principales factores a considerar para la mejora de la
resistencia física de estructuras sándwich ante impactos de baja velocidad. Dichos factores
son parámetros de diseño que tienen una influencia directa en la absorción de energía de la
estructura. Para este análisis se realizan simulaciones no lineales con el programa de
elementos finitos Abaqus/Explicit, que ayuda a entender en mejor medida la dinámica del
impacto. También se realizan ensayos experimentales que complementan dichas
simulaciones.
Los parámetros analizados tanto en las simulaciones como experimentalmente son el
material compuesto utilizado, la orientación de cada capa, la anchura y el tipo de costura
(cinta unidireccional frente a tejido) en el laminado de las pieles y el tamaño de celda, el
espesor y la densidad del honeycomb utilizado en el núcleo.
Las simulaciones se llevan a cabo utilizando dos modelos. El primero de ellos
contiene la estructura hexagonal del honeycomb que compone el núcleo. El segundo modelo
simula el núcleo con un material continuo equivalente al honeycomb, sin tener en cuenta la
estructura hexagonal del mismo. Ambos modelos son utilizados para una mejor comprensión
del impacto, de la energía absorbida por cada parte de la estructura sándwich y de la
influencia de los diferentes parámetros en la resistencia del sándwich.
Los resultados muestran que la piel superior que recibe el impacto es determinante en
la resistencia de la estructura. Sin embargo, el núcleo (que se deforma plásticamente en las
simulaciones simulando su aplastamiento) absorbe la mayor parte de energía cinética
proveniente del objeto que impacta el panel (cerca del 50 %). En el núcleo es el componente
más dañado tras el impacto, el cual es aplastamiento (del ingles core crushing). Este daño del
material influye de forma decisiva en la hendidura creada por el impacto.
De los parametros del nucleo analizados, el que tiene mayor influencia en la
deformacion del mismo son sus propiedades de compresión. Aumentando dichas propiedades,
la hendidura total de la estructura sándwich se reduce considerablemente. Como consecuencia
de dicho incremento, también se debe considerar el aumento del peso total de la estructura,
dado que las propiedades de compresión son directamente proporcionales a la densidad del
honeycomb. Dicho peso adicional es relativamente bajo, dada la ligereza del núcleo
(honeycomb) en comparación con la piel de la estructura.
Por otro lado se observa que el tamaño de celda y el espesor del núcleo no tienen
gran influencia en la resistencia de la estructura. A mayor tamaño de celda, un menor número
de celdas se situarán debajo del área impactada pero a su vez la pared de dichas celdas es más
gruesa y rígida (para honeycombs con igual densidad). Para los tamaños de celdas estudiados,
4.0 y 3.2 mm, el segundo (tamaño menor) presenta ligeras mejoras frente al primero (tamaño
menor).
En el caso del espesor, no se obtienen una clara tendencia variando las dimensiones
del núcleo, por lo que éste deberá ser optimizado de acuerdo con las medidas requeridas en su
dimensionalización.
En el caso de la piel, el material elegido tanto para la fibra como para la resina del
material compuesto tiene gran influencia en la absorción de energía, de acorde con la función
que se quiera desempeñar. Si buscamos un material que absorba grandes cantidades de
energía, como en el caso de impactos de alta velocidad, fibras de vidrio o de Kevlar con
resinas termoplásticas (como PEEK o PEI) presentan la mejor combinación. Sin embargo
dichos materiales presentan mayores deformaciones elásticas y se dañan más fácilmente ya
que tienen menor resistencia a la tracción. Esto conlleva, por tanto, a mayor hundimiento de la
zona impactada.
En este contexto, el la combinación de materiales que ofrecen una menor
deformación y menor daño del material es la resina epoxy reforzada con fibras de carbono.
La orientacion de las capas de cinta unidireccional reduce la hendidura en la zona
impactada de la superficie cuando se maximiza el ángulo que forman capas adyacentes, es
decir, cuando las capas adyacentes forman un ángulo recto. Además, la orientación del núcleo
(considerando su origen en la direccion “ribbon”) también debe ser considerada, mejorando la
resistencia al situar la capa contigua al núcleo a noventa grados respecto a éste. La mejor
disposición de capas es, por ello, [0/90/0/90] y [45/-45/0/90].