Cálculo por elementos finitos de materiales compuestos

El diseño y cálculo de los materiales compuestos o composites ofrece al mercado materiales más ligeros, más resistentes, más funcionales... Representan un ahorro en la cantidad de material y en la energía para fabricarlos. Conoce a fondo las ventajas en tu sector

En este artículo vamos a explicar los conceptos básicos del cálculo de materiales compuestos, para lo cual se describirán antes algunos conceptos necesarios para poder llevar a cabo un análisis de este tipo.

En esta línea de artículos nos centraremos en todo lo relacionado con el cálculo por elementos finitos con ANSYS de para este tipo de materiales, obviando por ejemplo los tipos de fibras, resinas, procesos de fabricación etc, de los que existe una extensa bibliografía y no son conceptos objeto de esta línea de artículos.

Este tipo de cálculos se pueden aplicar a sectores tan variados como:

  • Construcción: Cálculo de vigas de laminado para puentes, mucho más ligeras que las de hormigón
  • Aeronáutico: Cálculo de componentes del fuselaje de aeroplanos
  • Automóvil: Cálculo de componentes realizados con fibra de vidrio o de carbono, partes de la carrocería o del chasis
  • Eólico: Cálculo de palas de aerogeneradores, realizadas con fibra de vidrio y resina epoxi
  • y otros muchos…

¿Qué son los materiales compuestos o composites?

Los materiales compuestos, composites o resinas compuestas son materiales sintéticos mezclados heterogéneamente formando un compuesto, como su nombre indica. Están formados por moléculas de elementos variados. Estos componentes pueden ser de dos tipos:

  • Los de cohesión (resinas)
  • Los de refuerzo (fibras)

Cálculo ANSYS por elementos finitos de materiales compuestos, resinas o composites

 

Los componentes de cohesión envuelven y unen los componentes de refuerzo (o simplemente refuerzos) manteniendo la rigidez y la posición de estos. Los refuerzos dotan al conjunto con unas propiedades físicas que mejoran la cohesión y la rigidez.

Así pues, esta combinación de materiales confiere al compuesto unas propiedades mecánicas notablemente superiores a las de las materias primas de las que procede. Tales moléculas suelen formar estructuras muy resistentes y livianas; por este motivo se utilizan desde mediados del siglo XX en los más variados campos: aeronáutica, fabricación de prótesis, astro y cosmonáutica, ingeniería naval, ingeniería civil, artículos de campismo, etc.

Pasos para realizar un cálculo de una pieza de material compuesto mediante un programa de cálculo FEM cómo Ansys

Definición de materiales compuestos en Ansys

Los materiales compuestos se definen como materiales ortótropos de forma general. Dichos materiales tienen propiedades diferentes en la dirección de las fibras y en el resto de las direcciones y se pueden definir de 2 formas diferentes en un programa de cálculo FEM, básicamente son las siguientes:

  • Materiales ortótropos 2D
  • Materiales ortótropos 3D

En Ansys es posible definir este tipo de materiales, mediante constantes que definen la relación entre tensión y deformación en las diferentes direcciones. En posteriores artículos se explicará con más detalle como se deben definir los materiales ortótropos en Ansys.

Definición de laminados en Ansys

Los materiales compuestos se componen de diferentes capas de fibras, que se orientan con diferentes ángulos según sea necesario, para poder absorber las tensiones de trabajo que se producen en la pieza fabricada de material compuesto.

Criterios de fallo de materiales compuestos en Ansys

Los materiales compuestos no fallan de la misma forma que los materiales metálicos, por ejemplo, en los que puede aplicarse el criterio de fallo de materiales dúctiles de Von Mises.

Para el cálculo de este tipo de materiales se deben usar criterios de fallo diferentes, basados en el fallo de cada una de las capas de la fibra en las diferentes direcciones. Los más conocidos y usados en la actualidad son:

  • Criterio de Tsai Wu
  • Criterio de Puck

Cálculo de diferentes elementos diseñados

Cálculo ANSYS por elementos finitos de materiales compuestos, resinas o composites

Para explicar de una forma sencilla como aplicar todo lo que es específico y que se debe aplicar en un cálculo de un elemento formado por materiales compuestos, se realizarán algunos ejemplos sencillos.

Este tipo de componentes pueden ser aplicables a elementos de los diversos sectores que se han enumerado en la introducción.

    • Cálculo por elementos finitos de placa formada por laminado de fibra de carbono, en este primer ejemplo se definirá el cálculo de una placa formado por laminado de varias capas y diferentes orientaciones.
    • Cálculo por elementos finitos de viga en T formada por laminado de fibra de carbono, en este ejemplo se definirá el cálculo de una viga en forma de T formado por laminado de varias capas y diferentes orientaciones.
    • Cálculo por elementos finitos de viga cajón formada por laminado de fibra de carbono, en este ejemplo se definirá el cálculo de una viga en forma de cajón formado por laminado de varias capas y diferentes orientaciones.
    • Cálculo por elementos finitos panel sándwich (laminado de fibra de carbono + núcleo de PUR), en este ejemplo se definirá el cálculo de un panel sandwich formado por laminado de varias capas y diferentes orientaciones y con un núcleo de material tipo poliuretano (PUR), que es un elastómero termoplástico.
    • Cálculo por elementos finitos de elemento mixto laminado de fibra de carbono + panel sándwich, en este ejemplo se definirá el cálculo de un elemento formado por 2 tipos de elementos diferentes y combinados:
      • Panel sandwich formado por laminado de varias capas y diferentes orientaciones y con un núcleo de material tipo poliuretano (PUR), que es un elastómero termoplástico.
      • Laminado formado por laminado de varias capas y diferentes orientaciones.
    • Cálculo mixto laminado de fibra de carbono + panel sándwich + refuerzos de acero, en este ejemplo se definirá el cálculo de un elemento formado por 3 tipos de elementos diferentes y combinados:
      • Panel sandwich formado por laminado de varias capas y diferentes orientaciones y con un núcleo de material tipo poliuretano (PUR), que es un elastómero termoplástico.
      • Laminado formado por laminado de varias capas y diferentes orientaciones.
      • Refuerzos de acero embebidos en el material compuesto (para las zonas de aplicación de cargas puntuales).
    • Cálculo de ascensor formado por laminados de fibra de carbono y sándwich, en este artículo se pondrá en práctica todo lo explicado en los artículos previos, aplicado de forma práctica al cálculo de un modelo sencillo de ascensor diseñado con materiales compuestos, de tipo pórtico.
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