ensayos de pull-out/bending sobre uniones...
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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS
Ensayos de pull-out/bending sobre uniones aeronáuticas
Ingeniería Aeronáutica
Rafael Cabrera Melgar
07/06/2011
PROYECTO FIN DE CARRERA
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ÍNDICE
1. Introducción ................................................................................................................................................ 11
1.1. Objeto del proyecto ........................................................................................................................ 11
1.2. Uniones en la industria aeronáutica ........................................................................................ 12
1.2.1. Tipos de uniones .................................................................................................................... 12
1.2.2. Uniones mecánicas ................................................................................................................ 14
1.3. Materiales compuestos en aviones modernos .................................................................... 18
1.3.1. Definición de material compuesto .................................................................................. 18
1.3.2. Materiales compuestos en el avión ................................................................................ 21
1.4. Características y usos del Kevlar ............................................................................................... 22
2. El ensayo de pull-out/bending ............................................................................................................ 25
3. Campaña de ensayos en uniones aluminio/kevlar ..................................................................... 29
3.1. Características de la campaña .................................................................................................... 29
3.2. Uniones aluminio – kevlar en la belly fairing .................................................................. 29
3.3. Probetas............................................................................................................................................... 30
3.3.1. Geometría y composición ................................................................................................... 30
3.3.2. Acondicionamiento ............................................................................................................... 32
3.4. Cargas y condiciones de contorno ............................................................................................ 40
3.5. Equipamiento y utillaje ................................................................................................................. 41
3.5.1. Maquina de ensayos empleada ........................................................................................ 41
3.5.2. Utillaje......................................................................................................................................... 42
3.5.3. Equipamiento adicional ...................................................................................................... 54
3.6. Instrumentación............................................................................................................................... 55
3.6.1. Medida de deformaciones. Extensometría .................................................................. 55
3.6.2. Medida de desplazamientos. Captadores lineales .................................................... 58
3.6.3. Medida de temperatura. Termopares ........................................................................... 60
3.7. Inspecciones no destructivas...................................................................................................... 61
3.8. Realización de los ensayos ........................................................................................................... 63
3.8.1. Puesta a punto ......................................................................................................................... 63
3.8.2. Resumen .................................................................................................................................... 64
4. Resultados .................................................................................................................................................... 66
4.1. Serie 1 ................................................................................................................................................... 66
4.1.1. Tabla resumen......................................................................................................................... 66
4.1.2. POB 1.1 ....................................................................................................................................... 66
3
4.1.3. POB 1.2 ....................................................................................................................................... 73
4.1.4. POB 1.3 ....................................................................................................................................... 77
4.1.5. POB 1.4 ....................................................................................................................................... 83
4.1.6. POB 1.5 ....................................................................................................................................... 89
4.1.7. POB 1.6 ....................................................................................................................................... 91
4.1.8. Resultados conjuntos de la serie 1 ................................................................................. 98
4.2. Serie 2 ................................................................................................................................................ 100
4.2.1. Tabla resumen...................................................................................................................... 100
4.2.2. POB 2.1 .................................................................................................................................... 101
4.2.3. POB 2.2 .................................................................................................................................... 103
4.2.4. POB 2.3 .................................................................................................................................... 109
4.2.5. POB 2.4 .................................................................................................................................... 111
4.2.6. POB 2.5 .................................................................................................................................... 113
4.2.7. POB 2.6 .................................................................................................................................... 115
4.2.8. Resultados conjuntos de la serie 2 .............................................................................. 117
4.3. Serie 3 ................................................................................................................................................ 119
4.3.1. Tabla resumen...................................................................................................................... 119
4.3.2. POB 3.1 .................................................................................................................................... 119
4.3.3. POB 3.2 .................................................................................................................................... 121
4.3.4. POB 3.3 .................................................................................................................................... 123
4.3.5. POB 3.4 .................................................................................................................................... 125
4.3.6. POB 3.5 .................................................................................................................................... 127
4.3.7. POB 3.6 .................................................................................................................................... 129
4.3.8. Resultados conjuntos de la serie 3 .............................................................................. 131
4.4. Serie 4 ................................................................................................................................................ 133
4.4.1. Tabla resumen...................................................................................................................... 133
4.4.2. POB 4.1 .................................................................................................................................... 134
4.4.3. POB 4.2 .................................................................................................................................... 136
4.4.4. POB 4.3 .................................................................................................................................... 138
4.4.5. POB 4.4 .................................................................................................................................... 140
4.4.6. POB 4.5 .................................................................................................................................... 142
4.4.7. POB 4.6 .................................................................................................................................... 144
4.4.8. Resultados conjuntos de la serie 4 .............................................................................. 146
4.5. Serie 5 ................................................................................................................................................ 148
4.5.1. Tabla resumen...................................................................................................................... 148
4
4.5.2. POB 5.1 .................................................................................................................................... 148
4.5.3. POB 5.2 .................................................................................................................................... 150
4.5.4. POB 5.3 .................................................................................................................................... 152
4.5.5. POB 5.4 .................................................................................................................................... 154
4.5.6. POB 5.5 .................................................................................................................................... 156
4.5.7. POB 5.6 .................................................................................................................................... 158
4.5.8. Resultados conjuntos de la serie 5 .............................................................................. 160
5. Análisis de resultados........................................................................................................................... 163
5.1. Influencia del tipo de útil superior ........................................................................................ 163
5.2. Influencia del tipo de unión...................................................................................................... 164
5.3. Influencia de la distancia a borde .......................................................................................... 166
5.4. Influencia de la temperatura ................................................................................................... 168
6. Conclusiones ............................................................................................................................................ 170
Índice de ilustraciones
Ilustración 1: Conjunto soldado .................................................................................................................... 12
Ilustración 2: Componente aeronáutico de material compuesto con rigidizadores
cocurados ............................................................................................................................................................... 13
Ilustración 3: Remache sólido de aluminio .............................................................................................. 14
Ilustración 4: remaches ciegos ...................................................................................................................... 15
Ilustración 5: Remaches roscados ............................................................................................................... 16
Ilustración 6: Instalación de un lockbolt ................................................................................................... 16
Ilustración 7: Tuercas flotantes .................................................................................................................... 17
Ilustración 8: Belly fairing de un avión comercial ................................................................................. 18
Ilustración 9: Diagrama tensión-deformación de las fibras .............................................................. 19
Ilustración 10: Cinta de fibra de carbono ................................................................................................. 20
Ilustración 11: Tejido de fibras de carbono ............................................................................................. 20
Ilustración 12: Distribución de materiales compuestos en el avión.............................................. 22
Ilustración 13: Estructura química del Kevlar ........................................................................................ 22
Ilustración 14: Fibras de Kevlar.................................................................................................................... 23
Ilustración 15: Probeta de pull-out ............................................................................................................. 25
Ilustración 16: Útil necesario para el pull-out ........................................................................................ 26
Ilustración 17: Curva obtenida en el ensayo de pull-out .................................................................... 27
Ilustración 18: Flexión por carga concentrada en el extremo .......................................................... 28
Ilustración 19: Esquema de pull-out/bending........................................................................................ 28
Ilustración 20: Esquema de la estructura de la belly fairing ............................................................ 30
Ilustración 21: Configuración de casquillo (izquierda) y arandela (derecha) .......................... 30
Ilustración 22: dimensiones de las probetas ........................................................................................... 31
Ilustración 23: Componentes de la probetas ........................................................................................... 32
5
Ilustración 24: Cámara climática .................................................................................................................. 33
Ilustración 25: Horno de laboratorio .......................................................................................................... 33
Ilustración 26: Balanza de precisión ........................................................................................................... 34
Ilustración 27: Desecador ............................................................................................................................... 34
Ilustración 28: Travellers de Kevlar ........................................................................................................... 35
Ilustración 29: Evolución del peso en el acondicionamiento ........................................................... 36
Ilustración 30: Acondicionamiento de los travellers ........................................................................... 37
Ilustración 31: Evolución del peso durante el secado ......................................................................... 38
Ilustración 32: Secado del traveller 1 ......................................................................................................... 39
Ilustración 33: Secado del traveller 2 ......................................................................................................... 39
Ilustración 34: Sistema de ejes locales en la probeta .......................................................................... 40
Ilustración 35: Esquema de las cargas y condiciones de contorno ................................................ 40
Ilustración 36: Instron 5866 .......................................................................................................................... 42
Ilustración 37: Probeta instalada momento antes del ensayo ......................................................... 44
Ilustración 38: Utillaje inferior ...................................................................................................................... 45
Ilustración 39: Detalle de las placas de fijación ..................................................................................... 45
Ilustración 40: Mesa deslizante .................................................................................................................... 46
Ilustración 41: Esfuerzos indeseados sobre la probeta ...................................................................... 47
Ilustración 42: Primer utillaje superior ..................................................................................................... 48
Ilustración 43: Fijaciones del útil superior .............................................................................................. 48
Ilustración 44: Giro en el utillaje superior durante el ensayo .......................................................... 49
Ilustración 45: Detalle del montaje ............................................................................................................. 49
Ilustración 46: Fallo indeseado en la probeta ......................................................................................... 50
Ilustración 47: Análisis estático en el remache ...................................................................................... 51
Ilustración 48: Esquema del nuevo utillaje superior ........................................................................... 52
Ilustración 49: Brazo de momentos en función del ángulo ............................................................... 52
Ilustración 50: Nuevo utillaje superior ...................................................................................................... 53
Ilustración 51: Camara climática .................................................................................................................. 55
Ilustración 52: Banda extensométrica unidireccional ......................................................................... 56
Ilustración 53: Extensometría requerida .................................................................................................. 56
Ilustración 54: Instalación de la extensometría ..................................................................................... 57
Ilustración 55: Extensometría adicional (G3) ......................................................................................... 57
Ilustración 56: Captador de desplazamiento instalado ...................................................................... 58
Ilustración 57: Estructura del LVDT ........................................................................................................... 59
Ilustración 58: Funcionamiento del LVDT ............................................................................................... 59
Ilustración 59: Funcionamiento del termopar ....................................................................................... 60
Ilustración 60: Termopares instalados en la probeta .......................................................................... 61
Ilustración 61: Inspección por ultrasonidos ............................................................................................ 62
Ilustración 62: Equipo de inspección por ultrasonidos ...................................................................... 62
Ilustración 63: Requisitos de alineación en la carga ............................................................................ 63
Ilustración 64: POB 1.1 ..................................................................................................................................... 66
Ilustración 65: POB 1.1 hasta 700 N - Carga vs Deformación........................................................... 67
Ilustración 66: POB 1.1 hasta 700N - Carga vs Desplazamiento ..................................................... 68
Ilustración 67: POB 1.1 - Taladro en el Kevlar ........................................................................................ 69
Ilustración 68: POB 1.1 – Casquillo ............................................................................................................. 69
Ilustración 69: POB 1.1 - Remache .............................................................................................................. 70
Ilustración 70: POB 1.1 - Taladro en lámina de aluminio .................................................................. 70
6
Ilustración 71: POB 1.1 hasta rotura - Carga vs Deformación .......................................................... 71
Ilustración 72: POB 1.1 Hasta rotura - Carga vs Desplazamiento ................................................... 72
Ilustración 73: POB 1.1 Tras el fallo (1) .................................................................................................... 72
Ilustración 74: POB 1.1 Tras el fallo (2) .................................................................................................... 73
Ilustración 75: POB 1.2 Hasta rotura .......................................................................................................... 73
Ilustración 76: POB 1.2 hasta rotura - Carga vs Deformación .......................................................... 74
Ilustración 77: POB 1.2 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento ................................................... 74
Ilustración 78: POB 1.2 tras el fallo (1) ...................................................................................................... 75
Ilustración 79: POB 1.2 tras el fallo (2) ...................................................................................................... 75
Ilustración 80: POB 1.2 – Taladro en el Kevlar ....................................................................................... 76
Ilustración 81: POB 1.2 - Casquillo .............................................................................................................. 76
Ilustración 82: POB 1.2 - Casquillo .............................................................................................................. 76
Ilustración 83: POB 1.2 - Taladro en el aluminio ................................................................................... 77
Ilustración 84: POB 1.2. - Zona empotrada del aluminio .................................................................... 77
Ilustración 85: POB 1.3 ..................................................................................................................................... 78
Ilustración 86: POB 1.3 hasta 800 N - Carga vs Deformación........................................................... 78
Ilustración 87: POB 1.3 hasta 800 N - Carga vs Desplazamiento .................................................... 79
Ilustración 88: POB 1.3 - taladro en el kevlar ......................................................................................... 79
Ilustración 89: POB 1.3 – Casquillo ............................................................................................................. 80
Ilustración 90: POB 1.3 - Remache .............................................................................................................. 80
Ilustración 91: POB 1.3 - Taladro en la lámina de aluminio .............................................................. 81
Ilustración 92: POB 1.3 - Zona empotrada del aluminio..................................................................... 81
Ilustración 93: POB 1.3 hasta rotura - Carga vs Deformación .......................................................... 82
Ilustración 94: POB 1.3 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento ................................................... 82
Ilustración 95: POB 1.3 hasta rotura - Fallo de la probeta (1) ......................................................... 83
Ilustración 96: POB 1.3 hasta rotura - Fallo de la probeta (2) ......................................................... 83
Ilustración 97: POB 1.4 ..................................................................................................................................... 84
Ilustración 98: POB 1.4 hasta 1.45 kN - Carga vs Deformación ....................................................... 85
Ilustración 99: POB 1.4 hasta 1.45 kN - Carga vs Desplazamiento ................................................. 85
Ilustración 100: POB 1.4 hasta rotura: Carga vs Desplazamiento .................................................. 88
Ilustración 101: POB 1.4 hasta rotura: Carga vs Desplazamiento .................................................. 88
Ilustración 102: POB 1.4 - Fallo .................................................................................................................... 89
Ilustración 103: POB 1.5 hasta Rotura - Carga vs Deformación ...................................................... 89
Ilustración 104: POB 1.5 hasta Rotura - Carga vs Desplazamiento ................................................ 90
Ilustración 105: POB 1.5 - Fallo (1) ............................................................................................................. 90
Ilustración 106: POB 1.5 – Fallo .................................................................................................................... 91
Ilustración 107: POB 1.6 hasta 1.5 kN ........................................................................................................ 92
Ilustración 108: POB 1.6 hasta 1.5 kN - Carga vs Deformación ....................................................... 93
Ilustración 109: POB 1.6 hasta 1.5 kN - Carga vs Desplazamiento ................................................. 93
Ilustración 110: POB 1.6 - Taladro en el kevlar...................................................................................... 94
Ilustración 111: POB 1.6 - Casquillo ............................................................................................................ 94
Ilustración 112: POB 1.6 - Remache ............................................................................................................ 95
Ilustración 113: POB 1.6 - Taladro en el aluminio ................................................................................ 95
Ilustración 114: POB 1.6 - Zona empotrada del aluminio .................................................................. 95
Ilustración 115: POB 1.6 hasta rotura - Carga vs Deformación ....................................................... 96
Ilustración 116: POB 1.6 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento ................................................. 97
Ilustración 117: POB 1.6 - Fallo (1) ............................................................................................................. 97
7
Ilustración 118: POB 1.6 - Fallo (2) ............................................................................................................. 98
Ilustración 119: POB 1 - Carga vs Deformación (1) .............................................................................. 99
Ilustración 120: POB 1 – Carga vs Deformación (2) .......................................................................... 100
Ilustración 121: POB 2.1 hasta rotura: Carga vs Deformación ..................................................... 101
Ilustración 122: POB 2.1 hasta rotura: carga vs Desplazamiento ................................................ 102
Ilustración 123: POB 2.1 - Fallo ................................................................................................................. 102
Ilustración 124: POB 2.2 ............................................................................................................................... 103
Ilustración 125: POB 2.2 hasta 700N - Carga vs Deformación ...................................................... 104
Ilustración 126: POB 2.2 hasta 700N - Carga vs Desplazamiento ............................................... 104
Ilustración 127: POB 2.2 - Taladro en el Kevlar .................................................................................. 105
Ilustración 128: POB 2.2 - Arandela ......................................................................................................... 105
Ilustración 129: POB 2.2 - Remache ......................................................................................................... 106
Ilustración 130: POB 2.2 - Taladro en el aluminio ............................................................................. 106
Ilustración 131: POB 2.2 - Zona empotrada del aluminio ............................................................... 106
Ilustración 132: POB 2.2 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 107
Ilustración 133: POB 2.2 - Carga vs Desplazamiento ........................................................................ 108
Ilustración 134: POB 2.2 - Fallo (1) .......................................................................................................... 108
Ilustración 135: POB 2.2 - Fallo (2) .......................................................................................................... 109
Ilustración 136: POB 2.3 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 110
Ilustración 137: POB 2.3 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 110
Ilustración 138: POB 2.3 - Fallo ................................................................................................................. 111
Ilustración 139: POB 2.4 - Fallo (1) .......................................................................................................... 112
Ilustración 140: POB 2.4 - Fallo (2) .......................................................................................................... 113
Ilustración 141: POB 2.5 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 113
Ilustración 142: POB 2.5 hasta rotura: Carga vs Desplazamiento ............................................... 114
Ilustración 143: POB 2.5 - Fallo (1) .......................................................................................................... 114
Ilustración 144: POB 2.5 - Fallo (2) .......................................................................................................... 115
Ilustración 145: POB 2.6 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 115
Ilustración 146: POB 2.6 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 116
Ilustración 147: POB 2.6 - Fallo (1) .......................................................................................................... 116
Ilustración 148: POB 2.6 - Fallo (2) .......................................................................................................... 117
Ilustración 149: POB 2 - Carga vs Deformación (1) ........................................................................... 118
Ilustración 150: POB 2 - Carga vs Deformación (2) ........................................................................... 118
Ilustración 151: POB 3.1 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 120
Ilustración 152: POB 3.1 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 120
Ilustración 153: POB 3.1 - Fallo (1) .......................................................................................................... 121
Ilustración 154: POB 3.1 - Fallo (2) .......................................................................................................... 121
Ilustración 155: POB 3.2 hasta fallo - Carga vs Deformación ........................................................ 122
Ilustración 156: POB 3.2 hasta fallo - Carga vs Desplazamiento .................................................. 122
Ilustración 157: POB 3.2 - Fallo (1) .......................................................................................................... 123
Ilustración 158: POB 3.2 - Fallo (2) .......................................................................................................... 123
Ilustración 159: POB 3.3 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 124
Ilustración 160: POB 3.3 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 124
Ilustración 161: POB 3.3 - Fallo (1) .......................................................................................................... 125
Ilustración 162: POB 3.3 - Fallo (2) .......................................................................................................... 125
Ilustración 163: POB 3.4 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 126
Ilustración 164: POB 3.4 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 126
8
Ilustración 165: POB 3.4 - Fallo (1) .......................................................................................................... 127
Ilustración 166: POB 3.4 - Fallo (2) .......................................................................................................... 127
Ilustración 167: POB 3.5 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 128
Ilustración 168: POB 3.5 hasta rotura - Carga vs Desplzamiento ................................................ 128
Ilustración 169: POB 3.5 - Fallo (1) .......................................................................................................... 129
Ilustración 170: POB 3.5 - Fallo (2) .......................................................................................................... 129
Ilustración 171: POB 3.6 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 130
Ilustración 172: POB 3.6 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 130
Ilustración 173: POB 3.6 - Fallo (1) .......................................................................................................... 131
Ilustración 174: POB 3.6 - Fallo (2) .......................................................................................................... 131
Ilustración 175: POB 3 - Carga vs Deformación (1) ........................................................................... 132
Ilustración 176: POB 3 - Carga vs Deformación (2) ........................................................................... 133
Ilustración 177: POB 4.1 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 134
Ilustración 178: POB 4.1 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 135
Ilustración 179: POB 4.1 - Fallo (1) .......................................................................................................... 135
Ilustración 180: POB 4.1 - Fallo (2) .......................................................................................................... 136
Ilustración 181: POB 4.1 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 136
Ilustración 182: POB 4.1 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 137
Ilustración 183: POB 4.2 - Fallo (1) .......................................................................................................... 137
Ilustración 184: POB 4.2 - Fallo (2) .......................................................................................................... 138
Ilustración 185: POB 4.3 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 138
Ilustración 186: POB 4.3 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 139
Ilustración 187: POB 4.3 - Fallo (1) .......................................................................................................... 139
Ilustración 188: POB 4.3 - Fallo (2) .......................................................................................................... 140
Ilustración 189: POB 4.4 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 140
Ilustración 190: POB 4.4 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 141
Ilustración 191: POB 4.4 - Fallo (1) .......................................................................................................... 141
Ilustración 192: POB 4.4 - Fallo (2) .......................................................................................................... 142
Ilustración 193: POB 4.5 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 142
Ilustración 194: POB 4.5 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 143
Ilustración 195: POB 4.5 - Fallo (1) .......................................................................................................... 143
Ilustración 196: POB 4.5 - Fallo (2) .......................................................................................................... 144
Ilustración 197: POB 4.6 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 144
Ilustración 198: POB 4.6 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 145
Ilustración 199: POB 4.6 - Fallo (1) .......................................................................................................... 145
Ilustración 200: POB 4.6 - Fallo (2) .......................................................................................................... 146
Ilustración 201: POB 4 - Carga vs Deformación (1) ........................................................................... 146
Ilustración 202: POB 4 - Carga vs Deformación (2) ........................................................................... 147
Ilustración 203: POB 5.1 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 148
Ilustración 204: POB 5.1 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 149
Ilustración 205: POB 5.1 - Fallo (1) .......................................................................................................... 149
Ilustración 206: POB 5.1 - Fallo (2) .......................................................................................................... 150
Ilustración 207: POB 5.2 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 150
Ilustración 208: POB 5.2 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 151
Ilustración 209: POB 5.2 - Fallo (1) .......................................................................................................... 151
Ilustración 210: POB 5.2 - Fallo (2) .......................................................................................................... 152
Ilustración 211: POB 5.3 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 152
9
Ilustración 212: POB 5.3 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 153
Ilustración 213: POB 5.3 - Fallo (1) .......................................................................................................... 153
Ilustración 214: POB 5.3 - Fallo (2) .......................................................................................................... 154
Ilustración 215: POB 5.4 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 154
Ilustración 216: POB 5.4 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 155
Ilustración 217: POB 5.4 - Fallo (1) .......................................................................................................... 155
Ilustración 218: POB 5.4 - Fallo (2) .......................................................................................................... 156
Ilustración 219: POB 5.5 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 156
Ilustración 220: POB 5.5 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 157
Ilustración 221: POB 5.5 - Fallo (1) .......................................................................................................... 157
Ilustración 222: POB 5.5 - Fallo (2) .......................................................................................................... 158
Ilustración 223: POB 5.6 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 158
Ilustración 224: POB 5.6 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 159
Ilustración 225: POB 5.6 - Fallo (1) .......................................................................................................... 159
Ilustración 226: POB 5.6 - Fallo (2) .......................................................................................................... 160
Ilustración 227: POB 5 - Carga vs Deformación (1) ........................................................................... 160
Ilustración 228: POB 5 - Carga vs Deformación (2) ........................................................................... 161
Ilustración 229: Fallo en unión con arandela (izq.) y casquillo (der.) ....................................... 164
Ilustración 230: Casquillo vs Arandela: Zona de flexión pura ....................................................... 165
Ilustración 231: POB 3.6: Aumento de zona de flexión pura ......................................................... 167
Ilustración 232: Influencia de la reducción de distancia a borde ................................................ 168
Ilustración 233: Influencia de la temperatura de ensayo ............................................................... 169
Índice de tablas
Tabla 1: Propiedades de la fibra de Kevlar............................................................................................... 23
Tabla 2: Configuración de las series de probetas .................................................................................. 32
Tabla 3: Equipamiento utilizado para el acondicionamiento ........................................................... 34
Tabla 4: Comparativa entre útiles superiores ........................................................................................ 54
Tabla 5: Resumen de la campaña de ensayos ......................................................................................... 64
Tabla 6: Resumen de la serie 1 ...................................................................................................................... 66
Tabla 7: Serie POB 1 – Resultados (1) ........................................................................................................ 99
Tabla 8: Serie POB 1 - Resultados (2) ...................................................................................................... 100
Tabla 9: Tabla resumen de la serie 2 ....................................................................................................... 100
Tabla 10: Serie POB 2 - Resultados (1) ................................................................................................... 118
Tabla 11: Serie POB 2 - Resultados (2) ................................................................................................... 119
Tabla 12: Tabla resumen de la serie 3 .................................................................................................... 119
Tabla 13: Serie POB 3 - Resultados (1) ................................................................................................... 132
Tabla 14: Serie POB 3 - Resultados (2) ................................................................................................... 133
Tabla 15: Tabla resumen de la serie 4 .................................................................................................... 133
Tabla 16: Serie POB 4 - Resultados (1) ................................................................................................... 147
Tabla 17: Serie POB 4 - Resultados (2) ................................................................................................... 147
Tabla 18: Tabla resumen de la serie 5 .................................................................................................... 148
Tabla 19: Serie POB 5 - Resultados (1) ................................................................................................... 161
Tabla 20: Serie POB 5 - Resultados (2) ................................................................................................... 162
10
Tabla 21: Útil inicial vs Útil modificado .................................................................................................. 164
11
1. INTRODUCCIÓN
1.1. OBJETO DEL PROYECTO
El objetivo del proyecto contenido en estas páginas es mostrar en detalle la
campaña de ensayos realizada sobre probetas que representan ciertas uniones
remachadas de los paneles de la belly fairing de los aviones comerciales modernos.
Las probetas están formadas por dos paneles rectangulares de aluminio y
Kevlar, unidas mediante un remache aeronáutico que presenta flotabilidad.
El tipo de ensayo realizado es el denominado Pull-out/bending
(arrancamiento/flexión), teniendo como objetivo encontrar los valores admisibles
de la carga para validar la integridad de la unión.
Las probetas se clasifican en 5 series de 6 probetas cada una, haciendo un
total de 30 probetas. Cada serie tiene una configuración de distancia al borde y tipo
de remache definida lo que hará que, previsiblemente, los resultados varíen de una
a otra serie.
La memoria de éste proyecto se estructura de la siguiente manera:
1. Introducción: Donde se hablará del tipo de uniones usadas en la
industria aeronáutica así como del uso de los materiales compuestos en
la misma, profundizando en las características y usos del Kevlar.
2. El ensayo de pull-out/bending: Donde describiremos en detalle el ensayo
y los objetivos que este persigue, así como las normas asociadas al
mismo que se utilizan en los laboratorios de ensayos.
3. Campaña de ensayos en uniones aluminio/Kevlar: Este apartado es un
caso práctico del anterior. Detallaremos todo el proceso llevado a cabo
en la campaña de ensayos sobre las probetas anteriormente
mencionadas, desde la definición de las exigencias del cliente hasta la
ejecución de los ensayos.
4. Resultados: Aquí mostraremos los resultados obtenidos tras la
realización de la campaña en cada una de las probetas ensayadas.
5. Análisis de resultados: Analizaremos aquí los resultados obtenidos,
comparando entre ellos y analizando la influencia de los distintos
parámetros que intervienen en los ensayos.
12
6. Conclusiones: Finalizaremos la memoria extrayendo las conclusiones del
análisis anterior.
Este proyecto es solo una parte de la campaña completa realizada sobre
estas uniones.
Puesto que los ensayos de pull-out/bending someten a la probeta a cargas
perpendiculares al plano de unión, la campaña completa incluía además ensayos
de cortadura sobre la unión, esto es, solicitaciones perpendiculares a las que aquí
se contemplan.
1.2. UNIONES EN LA INDUSTRIA AERONÁUTICA
1.2.1. TIPOS DE UNIONES
En la industria existen tres tipos de uniones fundamentalmente: Soldadas,
adhesivas y mecánicas
Las uniones soldadas son ampliamente utilizadas en la industria en general.
Consiste, generalmente, en la unión de las piezas a partir de la fusión de la zona de
unión, así como añadiendo material de aporte que al enfriarse se convierte en una
unión fija. Existen asimismo procedimientos en estado sólido que no precisan
fundir el material.
ILUSTRACIÓN 1: CONJUNTO SOLDADO
13
La soldadura se aplica ampliamente en materiales metálicos. Algunos
presentan cierta dificultad para ser soldados, como es el caso del aluminio, muy
utilizado en la construcción de aeronaves.
Asimismo, con el paso de los años, el aluminio en las aeronaves está siendo
paulatinamente sustituido por material compuesto (no soldable), lo que hace que
está unión pierda cada vez más relevancia.
Las uniones adhesivas han sido tradicionalmente poco usadas en la
construcción de aeronaves. Esto se debe a que los adhesivos disponibles no
garantizaban resistencia y durabilidad en uniones de responsabilidad. Es por ello
que se han utilizado en elementos de nula responsabilidad estructural.
ILUSTRACIÓN 2: COMPONENTE AERONÁUTICO DE MATERIAL COMPUESTO CON RIGIDIZADORES COCURADOS
No obstante, con la aparición de los materiales compuestos están
apareciendo nuevos adhesivos, algunos con excelentes propiedades mecánicas.
Esto está haciendo que poco a poco estas uniones estén cobrando relevancia, en
especial por su excelente comportamiento a fatiga.
Las uniones mecánicas han sido y son las más utilizadas en la industria
aeronáutica. Las razones de ello son variadas: Fácil instalación, bajo coste,
excelentes propiedades mecánicas, etc.
14
Por ser el objeto de este proyecto, las uniones mecánicas las trataremos en
profundidad en el siguiente apartado.
1.2.2. UNIONES MECÁNICAS
Se entiende por unión mecánica toda aquella unión que precisa de elementos
auxiliares como pueden ser tornillos, remaches, pasadores, espárragos, etc. Estas
pueden ser desmontables, como la unión atornillada, o permanentes como el
remachado.
En aeronáutica, la unión más extendida es el remachado. Existe una gran
variedad de uniones remachadas según su tipo de instalación, propiedades
mecánicas, etc. A continuación describiremos algunos de estos remaches.
Remache sólido
Los remaches sólidos son aquellos que sufren una deformación en frio de la
caña durante su instalación haciendo uso de herramientas hidráulicas,
neumáticas, eléctricas o manuales. Han sido ampliamente utilizados en la
fabricación de aviones. Hoy día, debido al auge de los materiales
compuestos, esta unión se usa cada vez menos, puesto que la compresión de
la caña durante la instalación puede provocar delaminaciones en el
material.
ILUSTRACIÓN 3: REMACHE SÓLIDO DE ALUMINIO
15
Remache ciego
Estos remaches pueden instalarse completamente desde uno de los lados de
la unión. Usados principalmente en reparaciones, debido a su facilidad en la
instalación. Las propiedades, en general, son peores que en el caso de
remaches sólidos.
ILUSTRACIÓN 4: REMACHES CIEGOS
Remache roscado
Su instalación se realiza mediante un collarín roscado que se parte al
aplicarle un apriete determinado. Así se eliminan los posibles errores de
montaje y la necesidad de utilizar herramientas que controlen el par de
apriete. Permiten conseguir buenas condiciones de estanqueidad y poseen
muy buenas propiedades mecánicas, en especial cuando se someten a
esfuerzos de cortadura.
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ILUSTRACIÓN 5: REMACHES ROSCADOS
Lockbolts (Remaches con collarín estampado)
Estos remaches poseen un collarín maleable que sufre conformado plástico
al llegar a la tensión de instalación. La caña, asimismo, se rompe cuando se
alcanza esta tensión, quedando el remache totalmente instalado.
ILUSTRACIÓN 6: INSTALACIÓN DE UN LOCKBOLT
Además de las uniones remachadas, son muy usadas en la industria
aeroespacial las uniones atornilladas. De entre estas uniones, nos centraremos en
las uniones flotantes, pues en este proyecto se analiza una unión de esa naturaleza.
Se entiende por unión flotante aquella que presenta cierta holgura entre el
agujero y el tornillo. Esta holgura puede conseguirse de varias formas:
Usar un tornillo o remache de tamaño menor que el agujero donde va
instalado.
17
Usar una tuerca flotante. Este tipo de tuercas se anclan a una de las partes
de la unión, permitiendo un desplazamiento limitado de la otra parte de la
unión roscada.
ILUSTRACIÓN 7: TUERCAS FLOTANTES
En aeronáutica se utilizan las uniones flotantes extensamente. Uno de los
principales motivos es la relajación es las tolerancias de fabricación, debido a la
holgura existente en la unión. Menos tolerancias de fabricación implican menor
coste y menores errores de montaje. Este motivo es especialmente relevante en la
industria aeronáutica europea, por su carácter altamente descentralizado. Las
distintas piezas del avión a menudo la fabrican distintos países y éstas se
ensamblan en un lugar concreto.
Las uniones flotantes, en cambio, presentan pobres propiedades mecánicas
en comparación con los remaches anteriormente mencionados. Esto implica que su
uso deba limitarse a zonas no comprometidas estructuralmente en el avión.
En el caso que nos ocupa, estas uniones se aplican a la belly fairing del
avión. Esta zona se encuentra estructuralmente poco comprometida, pues el
principal cometido es revestir el esqueleto del fuselaje en la zona inferior. Las
cargas a las que está sometida serán el peso propio y la solicitación aerodinámica,
cargas muy reducidas en comparación con otras zonas del avión.
18
ILUSTRACIÓN 8: BELLY FAIRING DE UN AVIÓN COMERCIAL
1.3. MATERIALES COMPUESTOS EN AVIONES MODERNOS
1.3.1. DEFINICIÓN DE MATERIAL COMPUESTO
Se entiende por material compuesto todo aquel que está constituido por dos
o más subcomponentes. Esto implica la existencia de infinidad de materiales
compuestos cuyas características varían enormemente según sean los
componentes que forman dicho material.
En el ámbito aeronáutico, los materiales compuestos que se utilizan son los
denominados FRP (Fiber reinforced plastics). Estos consisten, básicamente, en una
matriz polimérica reforzada con fibras de carbono, aramida o vidrio.
19
ILUSTRACIÓN 9: DIAGRAMA TENSIÓN-DEFORMACIÓN DE LAS FIBRAS
Las fibras por si solas presentan una elevada resistencia específica (por
unidad de peso) en comparación con aleaciones como el acero, como se aprecia en
el gráfico. Esto hace que, en combinación con la matriz, el material resultante
presenta en muchos casos mejores propiedades que los materiales metálicos
tradicionalmente usados.
Las fibras se presentan en tejidos (entrelazadas) o en cintas alineadas en la
misma dirección. Estas pueden venir pre impregnadas de la matriz (resina). La
fabricación se realizaría entonces apilando capas sobre un molde para conferirles
la forma deseada. Seguidamente se introduce el apilado en un autoclave a
determinadas condiciones de temperatura y presión para curar la resina. Como es
de esperar, la orientación de unas capas respecto a otras influirá notablemente en
las características mecánicas de la pieza.
20
ILUSTRACIÓN 10: CINTA DE FIBRA DE CARBONO
La combinación fibra-matriz presenta en muchos casos un excelente
comportamiento mecánico, en términos de resistencia/densidad, superior a
materiales metálicos aeronáuticos. Esto ha motivado a los constructores de
aviones a investigar y desarrollar estos materiales para utilizarlos en ciertas
partes del avión, a fin de reducir el peso del mismo sin comprometer la integridad
estructural. Una reducción en el peso del avión conlleva grandes ventajas, como el
menor consumo de combustible del mismo.
ILUSTRACIÓN 11: TEJIDO DE FIBRAS DE CARBONO
No obstante, los materiales compuestos presentan algunas desventajas:
21
- Una de las más notables es la pérdida de isotropía que poseen los
metales, ya que dificulta el cálculo de la pieza. Si bien el carácter
ortótropo puede ser deseable en multitud de ocasiones.
- Los costes de fabricación son elevados debido a que en ocasiones resulta
imposible la automatización los procesos de fabricación.
1.3.2. MATERIALES COMPUESTOS EN EL AVIÓN
Como se ha comentado anteriormente, los materiales compuestos poseen
propiedades específicas en muchos casos superiores a las aleaciones de aluminio,
usadas clásicamente en la industria aeronáutica, lo que los hace candidatos para su
uso en los aviones. Si bien los costes de producción siguen siendo un hándicap
importante.
A lo largo de los años, en aviones comerciales, los materiales compuestos
han ido ganando terreno cada vez más al metal, aunque han seguido siendo éstos
últimos el material predominante.
No obstante, los nuevos diseños de las principales compañías incorporan en
muchos casos el 50% ó más de material compuesto, sin duda debido al aumento en
el conocimiento de los mismos, así como a la mejora de los procesos de fabricación.
Los materiales compuestos utilizados en el avión son básicamente tres:
- La fibra de carbono: El de mayor uso. Se utiliza en zonas de alta
responsabilidad como pueden ser alerones, flaps, góndolas del motor
etc.
- La fibra de vidrio reformada: Utilizada en zonas de menor
responsabilidad, como pueden ser los suelos de la cabina.
- Aramidas: Entre la que se encuentra el Kevlar, usadas en determinadas
zonas donde las cargas no son especialmente importantes.
22
ILUSTRACIÓN 12: DISTRIBUCIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS EN EL AVIÓN
1.4. CARACTERÍSTICAS Y USOS DEL KEVLAR
El Kevlar es una poliamida sintética que contiene grupos aromáticos
(Aramida). Fue sintetizada en 1965 por primera vez. Su nombre químico es
Poliparafenileno tereftalamida.
ILUSTRACIÓN 13: ESTRUCTURA QUÍMICA DEL KEVLAR
Las fibras de Kevlar están dotadas de una elevada resistencia. Esto es
debido a la interacción entre los grupos aromáticos y la formación de puentes de
23
hidrógeno ente los grupos amida. La fibra en sí, a igualdad de peso, es cinco veces
más resistente que el acero y mucho más tenaz.
ILUSTRACIÓN 14: FIBRAS DE KEVLAR
Como en el caso del carbono, las fibras se embeben en una matriz de resina
para formar el material compuesto final.
Las principales características del Kevlar son las siguientes:
Elevada Resistencia. Esto dificulta su mecanización Elevada Rigidez Baja dilatación térmica Baja conductividad eléctrica Resistencia a agentes químicos
Existen distintas fibras de Kevlar, si bien todas poseen propiedades similares
que pueden resumirse en la siguiente tabla:
Módulo de elasticidad 60-130 Gpa Resistencia a la tracción 2700 Mpa
Alargamiento hasta rotura 2-4 Densidad 1,4-1,6
TABLA 1: PROPIEDADES DE LA FIBRA DE KEVLAR
Fuera de la industria aeroespacial, el Kevlar se utiliza en la fabricación de
cascos, chalecos antibala, ropa de protección, etc. También es ampliamente usado
en deporte de competición, como automovilismo o vela.
24
En la industria aeroespacial, suele utilizarse en zonas de responsabilidad
estructural moderada. Esto incluye, por ejemplo, el perímetro de protección de los
motores, que tienen que poder resistir el impacto de piezas internas en caso de
rotura de las mismas. También se utiliza en la belly fairing de los aviones
modernos, como se ha comentado anteriormente.