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