Análisis y modelización del golpe hidrodinámico en tanques integrados de combustible realizados en material compuesto

• Autores: José Alfonso Artero Guerrero
• Directores de la Tesis: David Varas Doval (dir. tes.), Jorge López-Puente (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2014
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Ramón Zaera Polo (presid.), Ignacio Romero Olleros (secret.), David Ángel Cendón Franco (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Mecánica
      • Mecánica de medios continuos
    • Física del estado sólido
      • Materiales compuestos
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de materiales
      • Ensayo de materiales
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
• Resumen

  • Actualmente, en la industria aeronáutica, uno de los principales análisis que se realizan durante la fase de diseño de una estructura de material compuesto es el estudio de la vulnerabilidad frente a impactos a alta velocidad. Particularmente, en el diseño de los tanques de combustible del ala de un avión se deben tener en cuenta los efectos del golpe hidrodinámico; este problema ha sido identificado como uno de los factores más importantes en la vulnerabilidad de una aeronave. El golpe hidrodinámico ocurre cuando un objeto altamente energético penetra a alta velocidad en una estructura con fluido en su interior transfiriendo parte de su energía cinética a través del fluido a la estructura. En la presente tesis doctoral se ha analizado el comportamiento de un tanque de material compuesto con fluido en su interior sometido a impactos de alta velocidad. Para ello se ha usado tanto una metodología experimental como numérica. En ambos casos se ha analizado la influencia de dos parámetros: la velocidad de impacto del proyectil y el porcentaje de llenado del tanque de material compuesto. Para la realización de los ensayos experimentales se ha usado un dispositivo neumático que acelera el proyectil a gran velocidad contra el tanque de combustible; el proceso de impacto se ha grabado mediante una cámara de alta velocidad, registrándose también tanto las deformaciones del tubo de material compuesto como las presiones en el interior del fluido. Los ensayos experimentales han servido para comprender los principales mecanismos que gobiernan el comportamiento del tanque de combustible frente al golpe hidrodinámico. Se ha observado que los mecanismos de fallo que aparecen en la estructura varían sensiblemente en función de los parámetros estudiados; es de destacar la importancia del porcentaje de llenado, parámetro que no había sido estudiado en profundidad para este tipo de tanques de combustible. En esta tesis, además, se ha desarrollado una metodología numérica para modelizar el fenómeno del golpe hidrodinámico. Esta metodología ha sido validada mediante los ensayos experimentales antes mencionados. Las simulaciones numéricas han sido realizadas empleando el código comercial de elementos nitos LS-DYNA v. R7. Para modelizar la interacción fluido estructura se han usado dos técnicas diferentes: la técnica Multimaterial Lagrangiana Euleriana Arbitraria (MM-ALE en sus siglas en inglés) y la técnica Smooth Particle Hydrodynamics (SPH). Para reproducir el comportamiento del material compuesto del que está hecho el tanque de combustible se ha usado un modelo que tiene en cuenta tanto el fallo intralaminar, implementado mediante una subrutina de usuario, como el fallo interlaminar, modelizado usando una interacción cohesiva. Atendiendo a la validación realizada, se ha comprobado que los modelos numéricos desarrollados muestran una adecuada correlación con respecto a la respuesta del tubo de material compuesto sometido al golpe hidrodinámico observada en los ensayos experimentales. Tanto el modelo que usa la técnica MM-ALE como el que emplea la técnica SPH son capaces de reproducir la transferencia de energía entre proyectil, fluido y estructura. En cuanto al modelo de material compuesto implementado, éste predice adecuadamente los fallos que se generan en el tanque para los distintos casos analizados.