Análisis del impacto de pájaros en perfiles alares de materiales compuestos con fibra de carbono

Abstract

Los materiales compuestos están siendo utilizados cada vez más en distintos sectores de la industria. Uno de ellos es el aeronáutico, que los utiliza, entre otras aplicaciones, en los álabes de los motores. Durante el diseño de estas piezas una de las cargas críticas que se consideran es el impacto contra pájaros a gran velocidad. Para poder simular mediante cálculo computacional estas condiciones, son necesarios modelos realistas de daño progresivo en materiales compuestos, que a día de hoy aún no son suficientemente precisos. Un material compuesto es, como su nombre indica, un material formado por dos o más materiales distintos, que al unirse otorgan al nuevo material unas propiedades que aúnan o incluso mejoran las de los materiales originales. El usado en esta tesina es un material formado por unas fibras de carbono embebidas en un material que actúa cómo matriz, dando rigidez al conjunto. Este tipo de materiales, cuando se alejan de las deformaciones elásticas iniciales, tienen un comportamiento complejo. Pueden fallar de distintos modos, y en función de eso aparecen distintos modos de daño. Los utilizados en la presente tesina son el fallo a tracción de las fibras, el fallo a compresión de las fibras, el fallo de la matriz por aplastamiento y el fallo de la matriz por agrietamiento. La información sobre qué tipo de daño está apareciendo en el material es sumamente importante, por lo que los modelos matemáticos de predicción de daños deben recoger esta información. Se ha realizado un pequeño trabajo de investigación sobre las distintas teorías y modelos de daños en materiales compuestos, proporcionando información sobre cómo han ido evolucionando en el tiempo. El modelo utilizado para el cálculo de las simulaciones en el presente trabajo es el propuesto por Curiel Sosa et al. Se define un vector de daños, que recoge el daño en cada modo, y que afecta a la matriz de rigidez del material. Se definen también unas superficies de daños en el espacio de deformaciones, que van evolucionando a medida que el daño aumenta. Con la variación espacial de estas superficies y la evolución temporal de la deformación se obtiene un vector, que multiplicado por una matriz que contiene las relaciones entre los distintos tipos de daño, nos da la evolución temporal de los daños. Se ha realizado una simulación introductoria de un caso más simple, con el objetivo de aprender a utilizar el software. Posteriormente, se ha simulado un ensayo de impacto a gran velocidad sobre un material compuesto utilizando el modelo comentado, con el objetivo de analizar los resultados y poder obtener información útil para la mejora de dicho modelo. Al ser una simulación a gran velocidad con un algoritmo explícito, los pasos de tiempo son muy pequeños y aparecen problemas de inestabilidad. Por este motivo, se han utilizado distintas técnicas para conseguir aumentar la duración de las simulaciones, cómo la eliminación de elementos o el mass scaling. Finalmente, se han analizado todas las simulaciones realizadas, extrayendo de cada una la evolución de daños en el material, y se han comparado los resultados obtenidos con el ensayo real realizado en la industria aeronáutica. Además, también se ha analizado las consecuencias de utilizar las técnicas mencionadas anteriormente. Finalmente se han extraído las conclusiones a todo el trabajo realizado.