Diseño y análisis de utillaje para ensayo de componente de aviación mediante elementos finitos

Abstract

El presente proyecto se puede dividir en dos partes bien diferenciadas en cuanto a su estructura. Cierto es que la herramienta de cálculo es única, el método de los elementos finitos , debido a su adaptabilidad y precisión en cuanto a sistemas de tres dimensiones se refiere. La geometría será discretizada en nodos y elementos sobre los que se aplicarán restricciones de los grados de libertad disponibles (tres translacionales y tres rotacionales) y cargas (fuerzas, presiones, etc.). El objetivo final no será otro que el de simular satisfactoriamente los ensayos estáticos realizados a los maleteros de un avión, el Airbus A-320, según Ja especificación lOE 021 K4 213 C 04 de Daimler-Benz Aerospace Airbus. Para ello nuestros esfuerzos se orientarán en la modelización de los elementos involucrados en los ensayos programados, a saber, los maleteros y la estructura metálica que los sostiene. El maletero es una pieza de geometría compleja, como se puede observar en los planos facilitados por la compañía, y deberemos realizar ciertas simplificaciones debidamente justificadas en su modelización. Principalmente, los problemas se presentaron en el material puesto que la teoría de cálculo que implementa el programa informático utilizado no era apropiada para nuestro material compuesto. Otro problema se presentó a la hora de definir el contacto entre la puerta del maletero y la base del mismo puesto que se tratan de piezas independientes. Asímismo hubo que simular la bisagra o los cieITes de la puerta (empotramientos) a base de restringir grados de libe1tad de la malla de elementos finitos. A posteriori se añadieron elementos auxiliares a la malla principal que añaden efectos no despreciables como es el caso de tres vigas de aluminio que, adheridas a Ja base del maletero, sujetan equipos auxiliares de Ja aeronave y dan rigidez a flexión al conjunto. Por otra parte, Ja estructura requiere principalmente un esfuerzo de diseño puesto que la implementación de los elementos viga en el programa informático resulta sencilla. Se parte de una serie de requerimientos entre los que destaca la funcionalidad. Las barras deben tener una alta rigidez a flexión para simular con éxito las cuadernas de un avión además de no interferir en los ensayos a realizar como el montaje y desmontaje de los maleteros o impedir la deformación libre de los mismos. Con todo, el precio final de la estructura, incluida la fabricación, fue muy elevado (unos 8 millones de pesetas) justificándose por ser un utillaje diseñado a medida y fácilmente amortizable por el coste de los ensayos, que ronda el millón de pesetas. Problemas como la sujección a la bancada, las uniones soldadas entre barras o las uniones entre maleteros y estructura fueron modelizados también restringiendo grados de libertad de los nodos de la malla. El hecho de que la norma especifique que la precisión de los resultados sea mejor que el 1 % se interpretó como que las deformaciones relativas maletero-estructura fuesen menores que 2 mm, al ser el alcance del medidor de 200 mm. Hablamos de deformaciones relativas al estar el medidor anclado en sus extremos en el maletro y la estructura. Por último, se eligen los casos de carga más desfavorables de entre los 17 incluidos en la especificación en las tres direcciones de carga y los simulamos, obteniendo resultados satisfactorios y coherentes tanto en tensiones como en deformaciones.