Estructuras T

Tecnología AeroespacialEstructuras de las aeronaves

Universidad Politécnica de Madrid

Escuela de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio

Estructuras, Sistemas e Instrumentos 1/32

Introducción

Cargas estructuralesEsfuerzos y deformacionesComportamiento de los materialesEstructura del alaEstructura del fuselajeReferencia básicas [Sun06] [Niu02]


Cargas estructurales I

Cargas de tracción y compresión

F F

CompresiónTracción


Cargas estructurales II

Momento flector y fuerza cortante

A

A

FF

F Fuerza exterior

FMf A

A

Q

Q Fuerza cortante (fuerza interna)Mf Momento flector (momento interno)

Configuracióninicial

Configuracióndeformada

Equilibrio


Cargas estructurales III

Momento torsor

F

F

F

Fx

x

Configuracióninicial

Configuracióndeformada

Equilibrio

A

Ax

MxMt

Mt Momento torsor (momento interno)Mx Momento exterior

A

A


Esfuerzo y deformación I

El valor del esfuerzonormal, σ, se define como:

σ =FA

El valor de la deformaciónnormal, ε, se define como:

ε ==∆ll0

=l − l0

l0

l 0

A0

F

l 0

A

F

l

Configuración inicial Configuración deformada


Esfuerzo y deformación II

El valor del esfuerzocortante (tangencial),τ , se define como

τ =FA

El valor de ladeformación cortante,cortadura, γ, se definecomo:

γ = tanab≈

ab

F FA

b

γ

a


Esfuerzo y deformación III

Las cargas de flexión (momento flector y cortante) setraducen en esfuerzos axiales (tracción y compresión) asícomo esfuerzos cortantes

A

A

F

TracciónSección AA

Compresión B

C σ

τ

σ

−σy

+σ

σB

C


Esfuerzo y deformación IV

El momento torsor introduce un esfuerzo cortante

F

Mx

x

F

Mx Momento exteriorMt Momento torsor (momento interno)

A

A

Sección AA

τ

τ Esfuerzo cortante interior


Esfuerzo y deformación VFinalmente e independientemente del tipo de carga,internamente el material debe soportar esfuerzos normalesde tracción o compresión, σ, (debidos a cargas axiales,momentos flectores) y esfuerzos cortantes o tangenciales, τ ,(debidos a fuerzas cortantes y momentos torsores).

σ τ τ σ

σ

τ

τ

σ


Comportamiento de los materiales I

En general el comportamiento de los materiales se caracteriza porpresentar

deformabilidad, ante una carga exterior se deforman, cambian suconfiguración geométrica. Si la carga deja de actuar la deformacióndesaparece y el material recupera su configuración original. Lapropiedad de recuperar la configuración inicial una vez desaparecida lacarga que la creó, se denomina elasticidad. En general la mayor partede aleaciones y algunos materiales compuesto en la zona elástica secomportan de forma lineal, es decir existe una relación lineal entre ladeformación y el esfuerzo. Esta relación lineal se expresa como σ = Eεdonde E es el módulo de elasticidad del material.A partir de valores determinados de la carga exterior la deformaciónpuede llegar a ser permanente (plasticidad). El valor del esfuerzo queproduce tal efecto suele denominarse límite elástico, σy .Si el valor de la carga aumenta más allá del límite elástico puede llegara producir la rotura del material. El valor del esfuerzo que produce larotura se denomina esfuerzo de rotura, σR


Comportamiento de los materiales II

Material isótropo

ε

σy

zona

elás

tica

σR

σ

zona

plás

tica

(line

al)

Rotura

σR Esfuerzo de roturaσy Límite elástico

σ = Eε


Comportamiento de los materiales III

La rotura puede ser en el caso de carga axial tanto a tracción como acompresión.

Criterio de rotura axial para un material isótropo: |σ| < σR.Este criterio significa que cuando los esfuerzos son menores,tanto en tracción como compresión, que un determinadovalor característico y que es una propiedad del materialdenominado esfuerzo último de rotura, σR, no existirárotura.Sin embargo, cuando un elemento se encuentra con cargasde compresión dependiendo del material además de lapropia geometría del elemento puede aparecer el fenómenode pandeo antes de que se alcance un esfuerzo que produzcarotura. El pandeo es una inestabilidad elástica en la que elelemento puede adquirir una configuración de equilibriomuy diferente de aquella para la que fue diseñado pero quehace inservible al elemento para la función para la que fuediseñado.


Comportamiento de los materiales IV

F > Fcr

CompresiónTracción

σ > σR


Comportamiento de los materiales V

Materiales isótropos. La respuesta del material ante unafuerza exterior no presenta direcciones privilegiadas, elmaterial responde de la misma forma independientementede la dirección en la que actúa la acción. Los materialesisótropos más empleado en ingeniería son los materiales denaturaleza metálica. Normalmente los materiales metálicosse emplean en la forma de la unión de varios elementosquímicos y que se denominan aleaciones. Por ejemplo:

Aleaciones metálicas habitualmente empleadas en laingeniería mecánica y civil: aceroAleaciones metálicas habitualmente empleadas en laingeniería aeronáutica: aluminio, titanio

Materiales anisótropos. La respuesta del material ante unafuerza exterior presenta direcciones privilegiadas, elmaterial responde de distinta forma dependiendo de ladirección en la que actúa la acción.


Comportamiento de los materiales VI

Material isótropo

σy

σR

σ

Material anisótropo

εσycσRc

ε

σy

zona

elás

tica

σR

zona

plás

ticaσ


Comportamiento de los materiales VII

Material anisótropo empleado en la ingeniería civil:hormigón. El hormigón presenta una elevada resistencia alas cargas de compresión comparada con su resistencia a latracción. Por este motivo el hormigón suele ser reforzadocon varillas de acero que mejoran el comportamiento delmismo.Materiales anisótropos empleados en la ingenieríaaeronáutica: materiales compuestos construidos en base auna matriz en la que se embeben telas con fibras. Las fibraspresentan buenas propiedades en la dirección delongitudinal pero para soportar de forma satisfactoria lascargas estructurales es necesario embeberlas en matricesque permiten la orientación de otras telas de fibras en otraorientación y conseguir así un material capaz de soportarestados complejos de cargas. El intervalo de temperaturasde servicio de los materiales compuestos viene determinadoprincipalmente por el material empleado como matriz.


Comportamiento de los materiales VIII

Materiales compuestos de matriz polimérica hastatemperaturas del orden de 140 ◦Materiales compuestos de matriz metálica entretemperaturas del orden de 140 ◦hasta temperaturas delorden de 400 ◦Materiales compuestos de matriz cerámica temperaturassuperiores a 400 ◦

Propiedades E (GPa) σy (MPa) σR (MPa) ρ kg/m3

Aluminio Al-7075-T6 71 538 490 2780Titanio Ti-6Al-4V 110 925 869 4460Acero AISI-4340 200 1790 1483 7800

Carbon-Epoxy IM6/3501-6 177 2860 1550Fibra de Vidrio-Epoxy S2 43 1700 1800

Aramida-Epoxy Kev 49-Epoxy 70 1400 1400Boro-Aluminio B/Al 2024 210 1500 2650

Datos obtenidos de [Sun06]


Evolución del uso de materiales compuestos enaeronaves I


Distribución de materiales compuestos en A350 I


Estructura del ala I

Desde el punto de vista estructural las misiones del ala sonsoportar las cargas distribuidas aerodinámicas yconcentradas como empuje de motorestransmitirlas al fuselaje

Las cargas que aparecen sobre el ala son debidasdistribución de presiones como consecuencia del flujo(cargas aerodinámicas de sustentación, resistencia ymomento de cabeceo)cargas puntuales como el empuje de los motores instaladosen las semialas.


Estructura del ala II

Las principales cargas que aparecen sobre el ala son:momento de flexión (tracción en el extrados y compresiónen el intradós), fuerza cortante y momento torsor (esfuerzoscortantes)

y

x

Mf

z

l(y)

m(y)

Mt


Estructura del ala III

Los elementos en los que se constituye el ala sonlargueros (spars) sirven para soportar y transmitir las cargas deflexión. Están formados por

almas (webs) son los responsables de resistir los esfuerzos cortantes(torsión y flexión)cordón superior e inferior (upper and lower caps) soportan parte de lascargas de flexión

larguerillos (stringers) son elementos axiales que soportan los esfuerzosnormales asociados a la flexiónrevestimientos superior e inferior (upper and lower skins) se encargande dar la forma aerodinámica y desde el punto de vista estructuralsoportan los esfuerzos cortantes de torsión

Cordón inferior

Cordón superior

Alma

Larguero traseroLarguero deltantero

Larguerillo

Revestimiento


Estructura del ala IV

Costillas son elementos planos situados transversalmente a loslargueros, en la dirección de la cuerda. Se diseñan para alojar loslarguerillos y definir la forma aerodinámica de los perfiles. Desde elpunto de vista estructural sirven para disminuir la longitud efectiva delos larguerillos por lo que aumentan la resistencia a pandeo de dichoselementos.

Costillas

Costilla

delanteroRigidizador

Larguero traseroLarguero delantero


Estructura del ala V

Tipos convencionales de estructura para un ala

Alas de elevado alargamiento se emplea la configuración de cajónestructural grueso con dos o tres largueros principales.

Revestimiento


Revestimiento


Larguero central


Estructura del ala VI

Alas de bajo alargamiento usan cajón estructural delgado conmúltiples largueros principales

Revestimiento

Larguero


Estructura del fuselaje I

Estructuralmente las misiones del fuselaje son:

estructura central a la que se transmiten cargas desde lasestructuras tipo ala, como las propias semialas, estabilizadoreshorizontal y vertical, así como el tren de aterrizajeproporciona espacio y protección a la carga de pagoalberga a la tripulación, posibles pasajeros así como sistemas yequipos.

Las cargas que aparecen sobre el fuselaje son debidas

cargas puntuales debidas a la reacciones de las semialas,reacciones del tren de aterrizaje y la carga de pago, así como elempuje de los motores instalados en la parte trasera del fuselaje.en caso de aeronaves con cabinas presurizadas la distribución dediferencia de presiones entre el interior y exteriorcargas aerodinámicas en forma de distribuciones de presión (suimportancia es mucho menor comparada con la )


Estructura del fuselaje II

Las principales cargas que aparecen sobre el fuselaje son: momento deflexión (esfuerzos normales), fuerza cortante y momento torsor(esfuerzos cortantes)

pi

p∞

Reacciones del semialax

zFz

Mx

Fx

Mz

My

y


Estructura del fuselaje III

Las construcción más habitual hoy en día para el fuselajees una construcción de tipo semimonocasco.Un estructura monocasco es una estructura que presentaforma de una cáscara, o casco, hueca de pared delgada, orevestimiento resistente, sin elementos estructurales nitransversales ni longitudinales. La palabra monocascoderiva de monocoque, que hace referencia a una cáscara, ocasco, plana simple y sin refuerzos estructurales.


Estructura del fuselaje IV

El fuselaje de tipo semimonocasco es un fuselaje de tipomonocasco al cual se le agregan refuerzos estructuraleslongitudinales y transversales.

largueros (stringers) y larguerillos (longerons) son elementosaxiales que soportan los esfuerzos normales asociados a la flexióny sirven para soportar y transmitir las cargas de flexión.cuadernas (frames) son elementos situados transversalmente alos largueros, en la dirección longitudinal del fuselaje. Se diseñanpara alojar los larguerillos y definir la forma del fuselaje. Desdeel punto de vista estructural sirven para disminuir la longitudefectiva de los largueros por lo que aumentan la resistencia apandeo de dichos elementos.revestimiento (skin) se encarga de dar la forma aerodinámica ydesde el punto de vista estructural soportan los esfuerzoscortantes de torsión


Estructura del fuselaje V

Cuadernas

Revestimiento

Largueros


Referencias I

[Niu02] Michael C.Y. Niu, Airframe structural design, HongKong Conmilit Press Ltd., 2002.

[Sun06] C.T. Sun, Mechanics of aircraft structures, John Wiley& Sons, 2006.


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