Análisis y diseño de volantes de inercia de materiales compuestos

• Autores: Lluis Ripoll Masferrer
• Directores de la Tesis: José Luis Pérez Aparicio (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2005
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Federico París Carballo (presid.), Carles Riba i Romeva (secret.), Alfredo Güemes Gordo (voc.), Luis García-Tabarés Rodríguez (voc.), Josep Costa i Balanzat (voc.)
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología e ingeniería mecánicas
      • Equipo mecánico de transmisión de potencia
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • Los volantes de inercia superan a las baterías eléctricas por su capacidad de absorber y ceder energía en poco tiempo y, si se fabrican con materiales compuestos, también por su reducido peso. La tesis presenta un estudio sobre los rotores de materiales compuestos aplicados a los acumuladores cinéticos para hacerlos más asequibles a usos industriales baratos. Para ello se proponen dos objetivos: obtener un sistema analítico de cálculo, y mejorar el diseño de rotores de bajo coste.Se desarrolla un sistema analítico de cálculo muy completo, tanto en las cargas como en las tensiones. Se consideran todas las cargas necesarias para el diseño mecánico del rotor: la fuerza centrífuga, la fuerza de aceleración y las tensiones residuales, térmica y de hidratación; y se determinan todas las componentes, normales y cortantes, de la tensión para cada punto del rotor.El cálculo en condiciones de tensión plana, utilizado por la mayoría de autores, se amplía con el cálculo en deformación axial constante, que es una variante mejorada de la deformación plana. Se comprueba que sus resultados son mejores que los de tensión plana cuando se comparan con los obtenidos en modelos de elementos finitos. Paralelamente, como aportación nueva de la tesis, se deducen las funciones de la variación de la tensión axial y de la tensión cortante radial-axial a lo largo del eje longitudinal del rotor. A partir de estos resultados se desarrolla un sistema general de cálculo que, además de unificar los sistemas de tensión plana y deformación axial constante, permite determinar todas las tensiones en cualquier posición radial-axial del rotor.Este sistema unificado de cálculo se amplia con tres particularidades: una aplicación de cálculo para resolver rotores multicapa, las ecuaciones especiales para los materiales singulares no resolubles con las ecuaciones generales, y el cálculo de capas con fibras orientadas axialmente aplicadas para refuerzo en configuraciones especiales.Con el objeto de mejorar las prestaciones del rotor se estudian dos procedimientos para crear tensiones de pretensado: generando tensiones durante el bobinado y utilizando las tensiones residuales térmicas. En el primero se elabora un sistema analítico de cálculo para determinar las tensiones residuales de bobinado y se complementa con una simulación mediante elementos finitos basada en submodelos incrementales. Ambos cálculos son capaces de simular el material no curado aplicando las propiedades viscoelásticas de los ensayos experimentales de otros autores. En el segundo se presenta un sistema nuevo, denominado pretensado térmico, basado en el curado por etapas, que genera tensiones residuales parecidas a las de bobinado pero con menos problemas de fabricación.El diseño de volantes se aplica a tres configuraciones básicas: rotores híbridos multicapa con materiales de rigidez progresiva, rotores de un solo material con anillos de elastómero y rotores con pretensado térmico.Sus prestaciones se valoran con tres variables: la masa, el volumen y el coste del material; de las cuales el coste es la principal y se utiliza para la optimización de la geometría.En cada configuración se determina la energía máxima para distintas relaciones de radios del rotor y se compara con el rotor de un sólo material. Se utilizan los materiales básicos usados en la fabricación de rotores: la fibra de carbono con matriz epoxi, la fibra de vidrio con matriz epoxi, el aluminio y el acero. Los dos materiales compuestos ofrecen mejores resultados que los metales, pero disminuyen sensiblemente en rotores con espesor de pared grande. En estos casos, la energía por unidad de coste mejora aplicando los anillos elásticos y el pretensado térmico.