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Equation Chapter 1 Section 1

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Aeronáutica

Estudio Experimental de la Unión entre la Piel del

Borde de Ataque y el Larguero Frontal del

Estabilizador Horizontal de un Avión Comercial

Autor: Francisco Simón Fuentes

Tutor: José Cañas Delgado

Grupo de Elasticidad y Resistencia de los

Materiales

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2018

3

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Estudio Experimental de la Unión entre la Piel del Borde de Ataque y el Larguero Frontal del


Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Aeronáutica

Estudio Experimental de la Unión entre la Piel del

Borde de Ataque y el Larguero Frontal del


Autor:

Francisco Simón Fuentes

Tutor:

José Cañas Delgado

Catedrático

Grupo de Elasticidad y Resistencia de los Materiales

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2018

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5



Proyecto Fin de Carrera: Estudio Experimental de la Unión entre la Piel del Borde de Ataque y el Larguero

Frontal del Estabilizador Horizontal de un Avión Comercial

Autor: Francisco Simón Fuentes

Tutor: José Cañas Delgado

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2018

El Secretario del Tribunal

7

7



A Bea y Fran

A mi familia y amigos

A mis profesores

A TEAMS

9

9



Agradecimientos

En primer lugar me gustaría darle las gracias a mi familia. Han sido muchos años de apoyo y sufrimiento

conjunto que finalmente van a tener recompensa. Tengo la enorme fortuna de haber crecido en el seno de una

familia ejemplar, con unos padres, hermanas y sobrinos que siempre han estado arropándome y confiando en mi capacidad. Por desgracia, la felicidad de este día no podrá ser compartida directamente con mi ángel de la

guarda, pero estoy seguro que arriba estarás orgullosa de mí.

No me puedo olvidar de mi nueva familia Enriquez Villarejo, la cual también ha estado animándome en todo

este proceso durante los 10 años que formo parte de ella.

Igualmente, querría agradecer a mis amigos. Todos ellos han depositado su granito de arena para que hoy haya alcanzado esta meta.

Cómo no, a todos los profesores que he tenido en la carrera, especialmente a D. José Cañas Delgado, tutor del proyecto, y a D. Federico París Carballo, quienes no sólo me han permitido desarrollar este proyecto, sino que

depositaron en mí su confianza.

Querría igualmente agradecer de manera especial a la empresa TEAMS, lugar en el que pude llevar a cabo la ejecución de este estudio experimental y que me ha dado todas las facilidades posibles. Para no olvidarme de

nadie, querría hacer una mención general a todos y cada uno de mis compañeros, aunque por la ayuda prestada

durante la ejecución del proyecto, creo que es de justicia agradecer personalmente a D. Carlos Arellano Vera.

Para finalizar, darle las gracias a las dos personas más importantes de mi vida, mi mujer y mi hijo. Especialmente

mi mujer, ha tenido que sufrir la dilatación por finalizar mis estudios universitarios debido a la dificultad de compaginar vida laboral y académica. GRACIAS por haber estado a mi lado en todos los malos momentos y

GRACIAS por haberme hecho la vida tan sencilla.

Francisco Simón Fuentes

Sevilla, 2018

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Resumen

Con este estudio experimental de la unión entre la piel de un borde de ataque y el larguero forntal de un estabilizador horizontal de un avión comercial se pretende analizar la influencia que tiene en la carga de fallo

diferentes parámetros como la dirección de carga, la altura de del sistema de introuducción de carga o el efecto

de daños artificales e impactos.

A lo largo de la campaña de ensayos se han realizado tanto ensayos estáticos como ensayos de fatiga o de

tolerancia al daño. En total han sido 13 especímenes.

Los especímenes se fabricaron como réplicas exactas del elemento real. La fabricación no forma parte del

proyecto, por lo que únicamente se aportará información genérica de la misma.

Al ser un elemento único, que presenta diferentes características en función de la aeronave, el set-up de ensayo

fue diseñado específicamente, de hecho, como podrá observarse más adelante, fue necesaria la modificación del

set-up durante la ejecución de las pruebas.

El presente trabajo estará formado por las siguientes secciones:

1. Introducción: Esta sección tratará de dar una breve visión de los materiales compuestos, así como su uso en

el sector aeronáutico.

2. Definición de la campaña de ensayos: El objetivo será detallar todo lo relacionado con el diseño, configuración y ejecución de la campaña de ensayos.

3. Resultados: Se mostrarán las diferentes curvas obtenidas durante la ejecución de la campaña. Así mismo, se

incorporará un detalle de las inspecciones ultrasónicas realizadas sobre los especímenes tras la realización de los ensayos.

4. Análisis de resultados: Se analizará los resultados obtenidos, comparándolos entre sí y estudiando la influencia

tanto del set up de ensayo como de la dirección de la carga, entre otros parámetros.

5. Conclusiones: El final del trabajo será extraer las conclusiones que se derivan de la sección anterior.

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13



Índice

Agradecimientos 9

Resumen 11

Índice 13

Índice de Tablas 15

Índice de Figuras 16

1 Introducción 23 1.1 OBJETIVO DEL PROYECTO 23 1.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS 24 1.3 MATERIALES COMPUESTOS EN LA INDUSTRIA AERONÁUTICA 27

2 Definición de la Campaña de Ensayos 29 2.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS ESPECÍMENES 29

2.1.1 Descripción, geometría y fotografías de los especímenes 29 2.1.2 Resumen especímenes 31 2.1.3 Impactos y daños artificiales 32 2.1.4 Desviaciones de acuerdo a la especificación del cliente (Ref. 7). 33

2.2 SOLICITACIONES Y CONDICIONES DE CONTORNO 34 2.3 DEFINICIÓN SET-UP ENSAYOS 36

2.3.1 Configuración de ensayo I 37 2.3.2 Configuración de ensayo II 38 2.3.3 Configuración de ensayo III 39 2.3.4 Configuración de ensayo IV 40 2.3.5 Configuración de ensayo V 41

2.4 EQUIPAMIENTO 43 2.4.1 Sistema de adquisición 43 2.4.2 Actuadores hidráulicos 44 2.4.3 Células de carga 44 2.4.4 Sistema de control 46

2.5 INSTRUMENTACIÓN 48 2.5.1 Captador de desplazamiento - LVDT 48 2.5.2 Célula de carga 48 2.5.3 Extensometría 49 2.5.4 Resumen instrumentación 52

2.6 INSPECCIONES NO DESTRUCTIVAS 54 2.6.1 Ensayos estáticos 55 2.6.2 Ensayos a fatiga y tolerancia al daño 55

2.7 SECUENCIA DE ENSAYOS Y CASOS DE CARGA 56 2.7.1 Secuencia de ensayos 56 2.7.2 Casos de carga 57

3 Resultados 61 3.1 ENSAYOS ESTÁTICOS 62

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3.1.1 249-S1 62 3.1.2 249-S2 66 3.1.3 249-S3 71 3.1.4 249-S4 75 3.1.5 249-S5 80 3.1.6 249-S6 85 3.1.7 249-S7 90 3.1.8 249-S8 95 3.1.9 249-S9 100 3.1.10 249-S10 105 3.1.11 249-F1 110

3.2 ENSAYOS A FATIGA Y TOLERANCIA AL DAÑO 116 3.2.1 116 3.2.2 249-F4 116 3.2.3 249-T2 120

4 Análisis de Resultados 125

5 Conclusiones 131

Referencias 133

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1-1: Comparación propiedades mecánicas (Ref. 2). 24

Tabla 2-1: Secuencia de laminado. 31

Tabla 2-2: Resumen especímenes. 32

Tabla 2-3: Características actuador hidráulico de 25kN 44

Tabla 2-4: Características actuador hidráulico de 100kN 44

Tabla 2-5: Características células de carga 45

Tabla 2-6: Características galgas extensométricas. 49

Tabla 2-7: Resumen instrumentación 53

Tabla 3-1: Resumen de resultados. 61

Tabla 3-2: Tabla resumen inspección UT 249-S1. 66









Tabla 3-11: Tabla resumen inspección UT 249- S10. 110

Tabla 3-12: Tabla resumen inspección UT 249- F1. 115

Tabla 3-13: Tabla resumen inspección UT 249- F4. 119

Tabla 3-14: Tabla resumen inspección UT 249-T2. 124

Tabla 4-1: Estudio estádistico de los resultados. 125

Tabla 4-2: Tabla resumen inspección UT tara ensayo estático hasta 1,25LL 249- S8. 127

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1-1: Diagrama tensión-deformación de diferentes tipos de fibras (Ref. 2). 25

Figura 1-2: Ejemplo tejido fibra de carbono (Ref. 3). 25

Figura 1-3: Ejemplo prepreg fibra de carbono (Ref. 4). 26

Figura 1-4: Evolución del empleo de composites en el sector aeronáutico (Ref. 5). 27

Figura 1-5: Uso de diferentes fibras en un avión comercial (imagen obtenida de Ref. 6). 28

Figura 2-1: Detalle de la unión entre la piel y el larguero frontal (Ref. 7). 29

Figura 2-2: Configuración de los especímenes (Ref. 7). 29

Figura 2-3: Dimensiones Generales - I (Ref. 7). 30

Figura 2-4: Dimensiones Generales - II (Ref. 7). 30

Figura 2-5: Detalle de la transición “joggle” (Ref. 7). 30

Figura 2-6: Espécimen – I. 31

Figura 2-7: Espécimen – II. 31

Figura 2-8: Localización del defecto artificial y del impacto (Ref. 7) 33

Figura 2-9: Geometría del espécimen modificada (figura aportada por cliente). 33

Figura 2-10: Sistema de ejes locales del espécimen. 34

Figura 2-11: Configuración dirección UP. 34

Figura 2-12: Configuración dirección DOWN. 35

Figura 2-13: Configuración fatiga. 35

Figura 2-14: Esquema general diseño set-up. 37

Figura 2-15: Plano isométrico de la configuración de ensayo I. 37

Figura 2-16: Imagen de la configuración de ensayo I. 38

Figura 2-17: Plano isométrico de la configuración de ensayo II. 38

Figura 2-18: Imagen de la configuración de ensayo II. 39

Figura 2-19: Plano isométrico de la configuración de ensayo III. 39

Figura 2-20: Imagen de la configuración de ensayo III. 40

Figura 2-21: Plano isométrico de la configuración de ensayo IV. 41

Figura 2-22: Imagen de la configuración de ensayo IV. 41

Figura 2-23: Plano isométrico de la configuración de ensayo V. 42

Figura 2-24: Imagen de la configuración de ensayo V. 42

Figura 2-25: Diagrama sistema de adquisición MGCPlus. 43

Figura 2-26: Imagen actuador hidráulico 25kN. 44

Figura 2-27: Imagen actuador hidráulico 100kN. 44

Figura 2-28: Imagen célula de carga 25kN. 45

Figura 2-29: Imagen célula de carga 100kN. 45

Figura 2-30: Diagrama del sistema de control para los ensayos estáticos. 46

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Figura 2-31: Diagrama del sistema de control para los ensayos a fatiga. 47

Figura 2-32: Esquema funcionamiento LVDT (Ref. 12). 48

Figura 2-33: Esquema funcionamiento puente de Wheatstone (Ref. 13). 48

Figura 2-34: Galgas extensométricas unidireccionales y rosteas (Ref. 14). 49

Figura 2-35: Plano de extensometría general ensayos estáticos – lado “FRONT”. 50

Figura 2-36: Plano de extensometría general ensayos estáticos – lado “REAR”. 50

Figura 2-37: Plano de extensometría 249-S8 – lado “FRONT”. 51

Figura 2-38: Plano de extensometría 249-S8 – lado “REAR”. 51

Figura 2-39: Plano de extensometría general ensayos dinámicos – lado “FRONT”. 52

Figura 2-40: Plano de extensometría general ensayos dinámicos – lado “REAR”. 52

Figura 2-41: Esquema inspección ultrasónica (Ref. 15). 54

Figura 2-42: Equipo de ultrsonido empleado en la campaña de ensayo. 54

Figura 3-1: 249-S1 – Rotura – R-01a, R-02a, EXT-02, EXT-03, EXT-06 y EXT-07. 62

Figura 3-2: 249-S1 – Rotura – EXT-01, EXT-04 y EXT-05. 62

Figura 3-3: 249-S1 – Rotura – EXT-08. 63

Figura 3-4: 249-S1 – Rotura – EXTIMP-01 y EXTIMP-02. 63

Figura 3-5: 249-S1 – Rotura – R-01b y R-02b. 64

Figura 3-6: 249-S1 – Rotura – R-01c y R-02c. 64

Figura 3-7: 249-S1 – Rotura – Posición. 65

Figura 3-8: Inspección UT 249-S1. 65





Figura 3-13: Rotura 249-S2. 68




Figura 3-17: Inspección visual 249-S2. 70








Figura 3-25: Inspección visual 249-S3. 74


18








Figura 3-34: Inspección visual 249-S4 (I). 78

Figura 3-35: Inspección visual 249-S4 (II). 79





















Figura 3-56: Inspección visual 249-S6 (III). 89

Figura 3-57: Inspección visual 249-S6 (IV). 89

Figura 3-58: Inspección UT 249-S6 (I). 89

Figura 3-59: Inspección UT 249-S6 (II). 90






19

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Figura 3-91: Inspección UT 249-S9 (I). 104

Figura 3-92: Inspección UT 249-S9 (II). 104











20


Figura 3-104: Inspección UT 249- S10 (I). 109

Figura 3-105: Inspección UT 249- S10 (II). 110

Figura 3-106: 249-F1 – Rotura – R-01a, R-02a, EXT-02, EXT-03, EXT-06 y EXT-07. 110

Figura 3-107: 249-F1 – Rotura – EXT-01, EXT-04 y EXT-05. 111

Figura 3-108: 249-F1 – Rotura – EXT-08. 111

Figura 3-109: 249-F1 – Rotura – EXTIMP-01 y EXTIMP-02. 112

Figura 3-110: 249-F1 – Rotura – R-01b y R-02b. 112

Figura 3-111: 249-F1 – Rotura – R-01c y R-02c. 113

Figura 3-112: 249-F1 – Rotura – Posición. 113

Figura 3-113: Inspección visual 249-F1 (I). 114

Figura 3-114: Inspección visual 249- F1 (II). 114

Figura 3-115: Inspección UT 249- F1. 115

Figura 3-116: 249-F4 – Rotura – R-01a, R-02a, R-03a, R-04a, R-05a y R-06ª. 116

Figura 3-117: 249-F4 – Rotura – EXT-08. 116

Figura 3-118: 249-F4 – Rotura – EXTIMP-01 y EXTIMP-02. 117

Figura 3-119: 249-F4 – Rotura – R-01b y R-02b. 117

Figura 3-120: 249-F4 – Rotura – R-01c y R-02c. 118

Figura 3-121: 249-F4 – Rotura – Posición. 118

Figura 3-122: Inspección visual 249-F4 (I). 119

Figura 3-123: Inspección visual 249- F4 (II). 119

Figura 3-124: Inspección UT 249- F4. 119

Figura 3-125: 249-T2 – Rotura – R-01a, R-02a, R-04a, R-05a y R-06ª. 120

Figura 3-126: 249-T2 – Rotura – EXT-08. 120

Figura 3-127: 249-T2 – Rotura – EXTIMP-01 y EXTIMP-02. 121

Figura 3-128: 249-T2 – Rotura – R-01b y R-02b. 121

Figura 3-129: 249-T2 – Rotura – R-02c. 122

Figura 3-130: 249-T2 – Rotura – Posición. 122

Figura 3-131: Inspección visual 249-T2 (I). 123

Figura 3-132: Inspección visual 249-T2 (II). 124

Figura 3-133: Inspección UT 249-T2. 124

Figura 4-1: 249-S8 – Efecto no linealidad entre deformación y carga. 126

Figura 4-2: Inspección UT tras ensayo estático hasta 1,25LL 249-S8. 127

Figura 4-3: Modo de fallo espécimen dirección UP. 128

Figura 4-4: Modo de fallo espécimen dirección DOWN. 129

21

21



1 INTRODUCCIÓN

1.1 OBJETIVO DEL PROYECTO

El objetivo del proyecto es presentar el estudio experimental de la unión entre la piel del borde de ataque y el

larguero frontal del estabilizador horizontal de un avión comercial.

Para esta campaña de ensayo se llevaron a cabo tanto pruebas estáticas como pruebas de fatiga para conocer las

cargas de fallo y el comportamiento de tolerancia al daño.

Los especímenes se fabricaron como réplicas exactas del elemento real. La fabricación no forma parte del proyecto, por lo que únicamente se aportará información genérica de la misma.

Al ser un elemento único que presenta diferentes características en función de la aeronave, el set-up de ensayo

fue diseñado específicamente, de hecho, como podrá observarse más adelante, fue necesaria la modificación del

set-up durante la ejecución de las pruebas.

El presente trabajo estará formado por las siguientes secciones:

1. Introducción: Esta sección tratará de dar una breve visión de los materiales compuestos, así como su uso en

el sector aeronáutico.

2. Definición de la campaña de ensayos: El objetivo será detallar todo lo relacionado con el diseño, configuración

y ejecución de la campaña de ensayos, para ello hablaremos de la definición de los especímenes, las

solicitaciones y condiciones de contorno, los diferentes set-up de ensayos diseñados, el equipamiento y utillaje, la instrumentación, las inspecciones ultrasónicas y el procedimiento y secuencia de los ensayos.

3. Resultados: Se mostrarán las diferentes curvas obtenidas durante la ejecución de la campaña. Así mismo, se

incorporará un detalle de las inspecciones ultrasónicas realizadas sobre los especímenes tras la realización de los

ensayos.

4. Análisis de resultados: Se analizará los resultados obtenidos, comparándolos entre sí y estudiando la influencia

tanto del set up de ensayo como de la dirección de la carga, entre otros parámetros.

5. Conclusiones: El final del trabajo será extraer las conclusiones que se derivan de la sección anterior.

Introducción

24

1.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

Los materiales compuestos son materiales múltifásicos obtenidos a través de la combinación artificial de

diferentes materiales con el fin de obtener propiedades que los componentes individualmente no pueden

alcanzar. No son materiales multifásicos en los que las diferentes fases se forman naturalmente por reacciones, transformaciones de fase, u otros fenómenos. Un ejemplo es el polímero reforzado con fibra de carbono. Los

materiales compuestos deben distinguirse de las aleaciones, en que éstas pueden comprender dos componentes

o más, pero se forman de manera natural a través de procesos como la fundición.

Los materiales compuestos pueden tener propiedades muy variables en función de la elección que se haga de sus componentes, sus proporciones, sus distribuciones, sus morfologías, sus grados de cristalinidad, sus texturas

cristalográficas, así como la estructura y composición de la interfaz entre los componentes. Esta fuerte

adaptabilidad de sus propiedades permite que su uso esté generalizado en todo tipos de sectores industriales: aeroespacial, automovilístico, naval, construcción, energía, etc.

Un ejemplo de material compuesto es un compuesto estructural ligero que se obtiene mediante la inserción de

fibras de carbono continuas en una o más orientaciones dentro de una matriz polimérica. Las fibras proporcionan

la resistencia y la rigidez, mientras que el polímero sirve para aportar la continuidad necesaria a la hora de transmitir las cargas a lo largo de la estructura. En particular, los compuestos de matriz polímérica de fibra de

carbono tienen las siguientes propiedades:

- Baja densidad (menor que el aluminio)

- Alta resistencia (tan fuerte como los aceros de alta resistencia)

- Alta rigidez (más rígido que el titanio, con una menor densidad)

- Buena resistencia a la fatiga

- Buena resistencia a la fluencia

- Bajo coeficiente de fricción y buena resistencia al desgaste

- Tolerancia a la dureza y al daño.

- Resistencia química (en función de la matriz polimérica)

- Resistencia a la corrosión

- Estabilidad dimensional

- Capacidad para amortiguar vibraciones

- Baja resistividad eléctrica

- Alta eficacia de protección contra interferencia electromagnética (EMI)

- Alta conductividad térmica.

Tabla 1-1: Comparación propiedades mecánicas (Ref. 2).

25



Figura 1-1: Diagrama tensión-deformación de diferentes tipos de fibras (Ref. 2).

Las fibras pueden presentarse como tejidos (entrelazadas) o en cintas alineadas en la misma dirección. En este

caso, las cintas pueden venir preimpregnadas de la matriz (resina). La fabricación se realizaría entonces apilando

capas sobre un molde para conferirles la forma deseada. A continuación, se somete el apilado a ciclos determinados de temperatura y presión en el interior de un autoclave, con el objetivo de curar la resina. Como

es de esperar, la orientación de unas capas respecto a otras influirá notablemente en las características mecánicas

de la pieza.

Figura 1-2: Ejemplo tejido fibra de carbono (Ref. 3).

Introducción

26

Figura 1-3: Ejemplo prepreg fibra de carbono (Ref. 4).

A pesar de todas las ventajas expresadas, también encontramos algunos inconvenientes. Los más destacados

son:

- Pérdida de isotropía. Es cierto que para diversas aplicaciones se transforma en ventaja, pero en general, el carácter ortótropo del material dificulta el cálculo de las estructuras de compuesto.

- Altos costes de fabricación. En muchos casos el proceso debe ser completamente manual, lo que

encarece el producto. Además, la mano de obra que debe estar implicada en los procesos de fabricación

debe tener una alta cualificación.

27



1.3 MATERIALES COMPUESTOS EN LA INDUSTRIA AERONÁUTICA

Una de las características más significativas de los materiales compuestos son sus excelentes propiedades

mecáicas en relación a su peso. Este hecho ha llevado a que las industrias que han realizado un mayor desarrollo

de dichos materiales hayan sido las industrias aeronáutica y espacial, donde la reducción de peso es un factor estratégico.

A continuación, se muestra una figura con la evolución del uso de los composites con respecto el porcentage en

peso que suponen dentro de diferentes aeronaves de la compañía AIRBUS.

Figura 1-4: Evolución del empleo de composites en el sector aeronáutico (Ref. 5).

Como se puede observar en la figura, los materiales compuestos han ido ganando terreno cada vez más al metal

(aluminios y titanios, principalmente).

Los nuevos diseños de las principales compañías, BOEING con el 787 y AIRBUS con el A350, 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 y reducción de constes de los procesos de fabricación.

Introducción

28

Figura 1-5: Uso de diferentes fibras en un avión comercial (imagen obtenida de Ref. 6).

Como se observa en la figura anterior, tres son los principales materiales compuestos empleados en la industria

aeronáutica:

- La fibra de carbono: Es el material compuesto más extendido en cuanto a su uso tanto en la industria

aeronáutica como en la industria espacial. Se utiliza en zonas de alta responsabilidad como pueden ser

alerones, flaps, góndolas del motor etc.

- La fibra de vidrio: Su coste es muy inferior al de la fibra de carbono, pero sus propiedades también son

claramente inferiores. Se emplea en estructuras de menor responsabilidad, como pueden ser los suelos de la cabina.

- Aramidas: Generalmente la aramida más empleada es el Kevlar. Su empleo es muy especializado y

tampoco está muy extendida su utilización en estructuras primarias.

Si bien las cifras actuales de uso de los materiales compuesto en el sector son absolutamente espectaculares, parece que el incorporar un mayor porcentaje de material compuesto en los futuros desarrollos se hace muy

complicado.

Además, existen dos claras amenazas para continuar la evolución alcista del uso de estos materiales en el sector. Por un lado, las empresas manufactureras de aluminio y titanio, que durante años han estado sin prácticamente

evolucionar estos metales, se encuentran en una nueva revolución de investigación y desarrollo, lo que ha

permitido aumentar las propiedades mecánicas mediante diversos aditivos y procesos térmicos.

Por otro lado, la incorporación de un nuevo proceso productivo como es la impresión 3D, permite el diseño de estructuras muy ligeras mediante el uso de material metálico. La impresión 3D tambén está siendo desarrollada

para materiales compuestos, especialmente de tipo termoplástico, pero la realidad es que el uso comercial de

esta tecnología con materiales metálicos es ya una realidad, mientras que con materiales compuesto, aún precisa de una fuerte innovación.

29



2 DEFINICIÓN DE LA CAMPAÑA DE ENSAYOS

2.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS ESPECÍMENES

En primer lugar mostraremos las características generales de los especímenes que serán motivos de estudio en

este proyecto:

2.1.1 Descripción, geometría y fotografías de los especímenes

Como ya hemos comentado, se busca simular la unión entre la piel del borde de ataque, en este caso de un

estabilizador horizontal aunque sería muy similar si quisiéramos simular la de un ala, y el larguero frontal.

Figura 2-1: Detalle de la unión entre la piel y el larguero frontal (Ref. 7).

El espécimen consta de dos partes, un elemento rectangular de 600x50mm que simula el ala del larguero frontal,

lugar donde se une la piel del borde de ataque a la estructura del estabilizador horizontal, y la propia piel del borde de ataque, elemento de 600x162mm con una doble curva de transición llamada joggle.

Figura 2-2: Configuración de los especímenes (Ref. 7).

Definición de la Campaña de Ensayos

30

Figura 2-3: Dimensiones Generales - I (Ref. 7).

Figura 2-4: Dimensiones Generales - II (Ref. 7).

Figura 2-5: Detalle de la transición “joggle” (Ref. 7).

Ambos elementos han sido fabricados en fibra de carbono IMA/M21E, de acuerdo con el elemento real que es ensamblado en el avión. Así mismo, ambos elementos tienen una longitud extra de 125mm, con respecto al real,

para poder conseguir la condición de empotramiento de manera adecuada.

La secuencia de laminado de ambas partes es mostrada en la siguiente tabla:

31



Tabla 2-1: Secuencia de laminado.

ELEMENTO LAMINADO ESPESOR (MM)

PIEL (45/-45/90/0/90/-45/45/0/90)S 3,312

LARGUERO (45/-45/90/0/-45/45/90/-45/45/0/90)S 4,048

Finalmente, la unión entre ambos elementos se realiza de manera mecánica mediante 2 filas de remaches ABS0257-6 (Φ=4.8 mm).

Figura 2-6: Espécimen – I.

Figura 2-7: Espécimen – II.

2.1.2 Resumen especímenes

En la tabla que se muestra a continuación, se puede observar un resumen de los especímenes empleados en esta campaña, el tipo de ensayo ejecutado en cada uno, así como la dirección de la introducción de la carga.


32

Tabla 2-2: Resumen especímenes.

Número

Tipo de Ensayo Introducción de Carga

Referencia Especímenes

Estático Fatiga Tolerancia

al Daño Up Down Both

1 Rotura 249-S1

2 Rotura 249-S2

3 Rotura 249-S3

4 Rotura 249-S4

5 Rotura Pre test

249-S5

6 Pre test

Rotura 249-S6

7 Rotura 249-F1

8 Rotura 249-S7

9 Rotura 249-S8

10 Rotura 249-S9

11 Rotura 249-S10

12 14400 ciclos

249-T2

13 28800 ciclos

249-F4

2.1.3 Impactos y daños artificiales

Todos los especímenes fueron fabricados con daños artificiales y fueron sometidos a impacto. Los daños

artificiales tratan de simular los posibles defectos de fabricación en el proceso habitual de fabricación. En esta ocasión consistieron en introducir una lámina de teflón de 0,1mm de espesor y 600mm2 de superficie en el

joggle, reproduciendo el efecto de una delaminación.

En cuanto a los impactos realizados, se definieron dos niveles de energía. Por un lado los especímenes que fueron

ensayados a cargas estáticas y de fatiga, que recibieron un impacto de 35J, nivel equivalente al BVID (Barely Visible Impact damage). Por otro lado, los especímenes que fueron sometidos a tolerancia al daño recibieron un

impacto de 90J, con el objetivo de conocer la tolerancia al daño tras la fatiga.

33



Figura 2-8: Localización del defecto artificial y del impacto (Ref. 7)

2.1.4 Desviaciones de acuerdo a la especificación del cliente (Ref. 7).

Aunque en la especificación se definió el número de remaches de las 2 filas que unen la piel con el larguero,

como 24 y 23 unidades, la realidad fue que el número de remaches de los especímenes fue de 23 y 22.

La distancia de introducción de carga fue modificada antes del ensayo de la muestra 249-S5. La nueva posición para la introducción de carga fue:

Figura 2-9: Geometría del espécimen modificada (figura aportada por cliente).


34

2.2 SOLICITACIONES Y CONDICIONES DE CONTORNO

Una vez se han comentado las características de los especímenes, vamos a definir las solicitaciones de carga y

condiciones de contorno. Conceptualmente, tanto la introducción de carga como las condiciones de contorno

eran sencillas, la problemática aparece a la hora del diseño del set-up para reproducir con exactitud los efectos a los que el elemento está sometido durante su vida útil.

La solicitación consistía en una carga perpendicular al plano del elemento (eje Z), de manera que se generara un

esfuerzo de flexión en la estructura. La condición de contorno era la de empotramiento en el extremo que simula

la unión entre la piel del borde de ataque y el ala del larguero frontal del estabilizador horizontal.

Figura 2-10: Sistema de ejes locales del espécimen.

Figura 2-11: Configuración dirección UP.

35



Figura 2-12: Configuración dirección DOWN.

Figura 2-13: Configuración fatiga.

Las cargas máximas esperadas en los ensayos estáticos fueron de 20kN en la dirección UP y de 24kN en la

dirección DOWN.

En cuanto a los ensayos de fatiga, las cargas fueron definidas tras la campaña de ensayos estáticos. Los valores fueron calculados por el cliente en base a un porcentaje de las cargas límite y última de diseño, siendo ésta última

el valor medio de las cargas de fallo de los especímenes. En próximos apartados, se mostrarán las cargas de

fatiga que estableció el cliente para estos ensayos.


36

2.3 DEFINICIÓN SET-UP ENSAYOS

Pasamos ahora a describir los set-up empleados en cada uno de los especímenes. Como introducción indicar que

en los ensayos estructurales, debido a las complejidades geométricas de las muestras o por la configuración de

la introducción de carga y las condiciones de contorno, es una práctica común realizar los ensayos fuera de máquinas universales de ensayos.

Las máquinas universales de ensayos son ideales cuando la carga es axial. En nuestro caso, la carga es axial,

pero perpendicular al espécimen. Este hecho, junto con el tamaño del espécimen y la dificultad que el

empotramiento tendría al girarlo de eje, hizo que se optara por una solución fuera de máquina universal de ensayo mediante un set-up formado por los siguientes elementos:

- Mesa ranurada (Slotted table): Será el soporte/suelo de todo el set-up. Las ranuras permiten anclar los

diferentes elementos a la mesa, mediante unas tuercas especiales con forma de T. Es un elemento básico

y muy utilizado para configuraciones fuera de máquinas universales, de hecho, muchas de las máquinas universales de alta carga, ya integran un suelo ranurado.

- Columna de soporte (Bracket): Elemento rígido que se ancla a la mesa ranurada, mediante tornillos de

métrico 24, y soporta la reacción del actuador hidráulico. Tiene diferentes patrones de taladrado para

poder modificar la posición del actuador.

- Placa de interconexón (Connection plate): Placa que sirve de interfaz entre el patrón de taladrado del

actuador y el de la columna soporte.

- Actuador hidráulico (Actuator): Es el responsable de la generación de la fuerza necesaria. Este

elemento, al tratarse de un equipo, será abordado con mayor profundidad en el siguiente apartado.

- Célula de carga (Load cell): La célula de carga es el sensor que permite conocer con exactitud la fuerza que se introduce en el espécimen. Al igual que el actuador, al tratarse de un equipo, será abordado con

mayor profundidad en el siguiente apartado.

- Interfaz introducción de carga: este no es un elemento único sino que está formado por diferentes

partes. Esta interfaz, a grandes rasgos, es la que más cambios han sufrido durante las diferentes versiones de los set-up diseñados. De manera básica se compone de placas de introducción de carga (load plate),

una cogida (clevis) que sirve como interfaz entre la celula de carga y las placas de introducción de carga

y diferentes elementos para aportar una mayor rigidez (perfil L) o para asegurar el alineamiento de la

carga (guías lineales). Aunque más adelante hablaremos de cada configuración, existe una característica común que es importante destacar. Las placas de introducción de carga poseen el extremo que contacta

con el espécimen con una forma redondeada, el motivo principal es que la solicitación debe realizarse

a través de una línea de contacto y no de una superficie.

- Empotramiento (Reaction plate): Consistente en dos perfile L acartelados para aumentar su rigidez. El

objetivo principal es simular el empotramiento que el elemento posee cuando la piel se une al larguero

frontal del estabilizador, el cual es claramente más rígido que la propia piel. Para asegurar que no se

produjese ningún desplazamiento, es decir, para asegurar la condición de contorno de empotramiento, se empleo una unión mecánica entre las dos L acarteladas, mediante 20 tornillos de métrico 12. Además,

para facilitar la labor de ensamblaje de los especímenes, una de las L posee en su base una ranura, para

poder desplazarla respecto del otro perfil L y, de este modo, tener un mayor espacio para introducir o

retirar los especímenes. Los perfiles L se anclan a la mesa ranurada mediante tornillos de métrico 24.

A continuación se muestra un esquema general del diseño del set-up:

37



Figura 2-14: Esquema general diseño set-up.

Una vez desarrollado el concepto general de set-up, iremos mostrando una vista esquemática de los mismos,

con fotografías, y explicaremos los cambios desarrollados con respecto el set-up anterior

2.3.1 Configuración de ensayo I

Esta configuración fue empleada hasta el espécimen 249-S4. Se basa en el esquema general que fue mostrado

anteriormente.

Figura 2-15: Plano isométrico de la configuración de ensayo I.


38

Figura 2-16: Imagen de la configuración de ensayo I.

2.3.2 Configuración de ensayo II

Esta configuración fue empleada para el ensayo del espécimen 249-S5. La diferencia principal fue la

modificación de la altura de la introducción de carga, así como la eliminación de la placa trasera del sistema de

introducción de carga y los perfiles L, que rigidizaban y unían las placas delanteras y traseras.

A partir de este set-up, la introducción estática de la carga se realizaría únicamente con la placa que está cogida

por el “clevis”. La eliminación de la placa “trasera” ayuda al deslizamiento del espécimen durante el ensayo,

además de permitirle deformarse libremente acorde a la flexión introducida.

Figura 2-17: Plano isométrico de la configuración de ensayo II.

39



Figura 2-18: Imagen de la configuración de ensayo II.

2.3.3 Configuración de ensayo III

Esta configuración fue empleada para el ensayo del espécimen 249-F1. La diferencia principal fue la introducción de las guías lineales durante los ensayos. Mediante estas guías se asegura la altura y el alineamiento,

en todo momento, de la placa de introducción de la carga. En la configuración anterior, lo que se tenía era una

introducción de carga consistente en una viga en voladizo, empotrada en el “bracket”, con mucho peso.

Figura 2-19: Plano isométrico de la configuración de ensayo III.


40

Figura 2-20: Imagen de la configuración de ensayo III.

Anterior a los ensayos sobre los especímenes, se realizó un ensayo en vacío del set-up para determinar la carga

debida al rozamiento de las guías lineales, comprobándose que el valor resultante estaba en el entorno del 1%

de la carga de rotura en la dirección UP. Teniendo en cuenta el bajo procentaje, se estimó por parte de el cliente que el set-up era valido para la realización de las pruebas.

2.3.4 Configuración de ensayo IV

Esta fue la configuración empleada para el resto de especímenes estáticos. Del mismo modo, fue la configuración

elegida para realizar el ensayo de rotura tras la fatiga y el ensayo de tolerancia al daño. Como se observará a continuación, no se produce ninguna modificación relvante, únicamente se cambia el actuador para emplear un

actuador con una carga superior. Pasamos de un actuador de 25kN a un actuador de 100kN.

El motivo principal fue que durante la ejecución del primer espécimen en la dirección DOWN con la configuración III, se observó que la estimación inicial de carga máxima en la dirección DOWN era muy inferior

a la carga real a rotura, precisando de un actuador de mayor carga.

41



Figura 2-21: Plano isométrico de la configuración de ensayo IV.

Figura 2-22: Imagen de la configuración de ensayo IV.

2.3.5 Configuración de ensayo V

Esta configuración fue empleada para la introducción de las cargas de fatiga de los especímenes 249-F4 y 249-

T2. La modificación más relvante fue la reintroducción de la placa trasera, retirada en el set-up II. El motivo

principal es que para poder realizar los ciclos de fatiga, que tenían tanto compnente UP como componente DOWN, se hace necesario el empleo de dicha placa. Para asegurar el contacto con el espécimen, también se

incluyeron unas placas metálicas que unen la placa delantera con la trasera.


42

Figura 2-23: Plano isométrico de la configuración de ensayo V.

Figura 2-24: Imagen de la configuración de ensayo V.

43



2.4 EQUIPAMIENTO

En esta sección mostraremos los equipos más significativos que hemos empleado para la ejecución de la

campaña de ensayos. Algunos de ellos ya han sido nombrados en el apartado anterior, ya que eran parte

fundamental de la configuración de ensayo, pero en esta sección profundizaremos en sus características.

2.4.1 Sistema de adquisición

Para la obtención de las medidas de deformación, carga y desplazamiento se empleó un sistema llamado MGCPlus de la compañía HBM. A continuación muestro un diagrama de la configuración del sistema.

Figura 2-25: Diagrama sistema de adquisición MGCPlus.

Como se observa en el diagrama, el sstema se compone de cuatro elementos:

- HBM – MGCPlus: Es el equipo que permite el tratamiento de la información que proviene de los

diferentes sensores. De modo básico, transforma la señal eléctrica que recibe de cada sensor a partir de la sensibilidad/calibración del mismo.

- Ordenadores de control: Son los que permite configurar el equipo HBM-MGCPlus y almacenar la

información recogida de los diferentes sensores.

- Ordenadores de monitorización: Visualizan la información que cada sensor está emitiendo. Esta

visualización puede ser en tiempo real, durante el ensayo, o una vez finalizado el ensayo.

- Router Ethernet: Permite la comunicación entre los diferentes elementos.

Como se muestra en el esquema, los sensores son conectados directamente al equipo HBM-MGCPlus. Dicha

conexión, al igual que la conexión entre los diferentes elementos con el router de Ethernet, se realizó mediante

cableado.

Acquisition system

controlling computer

Acquisition system

monitoring computers

Link with the control system:

- Load measurement- Actuator displacement measurement

- Digital signals associated to security

limits

Ethernet switch

HBM MGCPlus

Measurable variables


44

2.4.2 Actuadores hidráulicos

Como se ha explicado en la sección de las diferentes configuraciones de ensayo, dos actuadores hidráulicos han

sido empleados durante toda la campaña. Ambos pertenecen a la familia PL de INSTRON. Las características

básicas de ambos se muestran en las siguientes tablas.

Tabla 2-3: Características actuador hidráulico de 25kN

INSTRON PLL25N

Fuerza Nominal 25kN

Desplazamiento 250mm

Tabla 2-4: Características actuador hidráulico de 100kN

INSTRON PL100N

Fuerza Nominal 100kN

Desplazamiento 250mm

Ambos actuadores pueden realizar ensayos de fatiga o dnámicos y tienen certificados de calibración anuales.

Figura 2-26: Imagen actuador hidráulico 25kN.

Figura 2-27: Imagen actuador hidráulico 100kN.

2.4.3 Células de carga

Las células de carga son el sensor que permite conocer la fuerza ejercida sobre el espécimen. Al igual que sucedió

con los actuadores, dos células de carga fueron empleadas durante la campaña de ensayos, una de 25kN y otra

de 100kN. Ambas pertenecen a la familia 2526 de INSTRON. Las características básicas se muestran en la siguiente tabla.

45



Tabla 2-5: Características células de carga

Transducer Sensor type Serial No. Capacity

Load cell 2526-804 46324 ±25kN

Load cell 2526-808 51638 ±100kN

La familia 2526 de INSTRON presenta dos propiedades que permiten una mayor fiabilidad de los resultados:

- Reducen los errores de carga dinámica. En ocasiones estos errores pueden llegar a ser un porcentaje

significativo de la lectura.

- Proporcionan un control mejorado de la carga en bucle cerrado, especialmente interesante para pruebas

de alta frecuencia.

Ambas células de carga tienen certificados de calibración anuales.

Figura 2-28: Imagen célula de carga 25kN.

Figura 2-29: Imagen célula de carga 100kN.


46

2.4.4 Sistema de control

Durante la campaña de ensayos, se emplearon dos sistemas diferentes de control, uno para los ensayos estáticos

y otro para los ensayos a fatiga.

Para los ensayos estáticos, el sistema de control empleado fue un Labotronic 8800 de INSTRON, el cual permite

un completo procesamiento digital de las señales mejorando, de este modo, su resolución y disminuyendo los niveles de ruido de la retroalimentación de las mismas. A continuación se muestra un diagrama del sistema.

Figura 2-30: Diagrama del sistema de control para los ensayos estáticos.

Para los ensayos dinámicos (fatiga), el sistema de control empleado fue un “Aerospace Test Controller” de

MOOG, el cual es un sistema digital de control, especialmente diseñado para los requerimientos de ensayos de la industria aeroespacial. La arquitectura se basa, casi por completo, en estándares industriales; utilizando un PC

comercial en un entorno Linux en tiempo real. Esto proporciona una plataforma resistente que conserva la

compatibilidad total del software con el PC. A continuación se muestra un diagrama del sistema.

Emergency

stops

Control

system

Control

system controlling

computer Hydraulic power

supply

Test machine

frame

Hydraulic

actuator

47



Figura 2-31: Diagrama del sistema de control para los ensayos a fatiga.


48

2.5 INSTRUMENTACIÓN

Tres tipos de sensores fueron empleados en esta campaña de ensayos. Dos de ellos, se encuentran integrados en

equipos que ya han sido descritos anteriormente. Estos sensores son, el captador lineal de desplazmaiento

(pertenecente al actaudor hidráulico) y la célula de carga.

2.5.1 Captador de desplazamiento - LVDT

Un captador de desplazamiento, LVDT, es un sensor que permite conocer la posición a partir de un voltaje de salida proporcional al desplazamiento de un núcleo por el interior de bobinas.

De manera básica, el LVDT consiste en una bobina primaria, dos bobinas secundarias y un núcleo

ferromagnético. La corriente alterna que circula por la bobina primeria, conduce a un campo magnético alrededor del núcleo. Este campo genera una corriente alterna en las bobinas secundarias, siendo esta corriente

función del número de espiras de las bobinas. Como el núcleo se desplaza, el número de espiras de las bobinas

secundarias que están expuestas es diferente, modificando linealmente el valor de la corriente.

Figura 2-32: Esquema funcionamiento LVDT (Ref. 12).

En nuestro caso, el captador de desplazamiento que hemos considerado es el interno de los actuadores hidráulicos utilizados. Este captador es calibrado anualmente.

2.5.2 Célula de carga

Una célula de carga es un sensor que permite conocer la fuerza ejercidad a partir de un voltaje de salida

proveniente de un puente completo de Wheatstone.

De manera básica, el funcionamiento de una célula de carga consite en un cambio de la señal eléctrica de salida

como consecuencia de la variación de la resistencia eléctrica de las galgas extensométricas que forman el puente

de Wheatstone. Mediante una correcta calibración, es posible establecer la relación entre el cambio de la señal

eléctrica y la fuerza ejercida.

Figura 2-33: Esquema funcionamiento puente de Wheatstone (Ref. 13).

En nuestro caso, la célula de carga era un equipo comercial de INSTRON. Este sensor es calibrado anualmente.

49



2.5.3 Extensometría

Para la medida de las deformaciones se utilizaron galgas extensométricas. Estas galgas son sensores, como

ya hemos comentado anteriormente, con una resistencia eléctrica que se situan en los puntos del espécimen

que se desea estudiar mediante una unión adhesiva (también existen galgas extensométricas cuya unión es

mediante soldadura, pero las empleadas en esta campaña fueron situadas mediante unión adhesiva). Las

deformaciones que se producen en el espécimen provocan variaciones de la resistencia eléctrica de la galga,

pudiendo medirse así la deformación normal existente en ese punto.

Existen diferentes tipología de bandas extensométricas. En nuestro caso, hemos empleado tanto bandas

unidireccionales como rosetas, que miden la deformación en tres direcciones en el plano.

Figura 2-34: Galgas extensométricas unidireccionales y rosteas (Ref. 14).

En nuestro caso, las galgas extensométricas empleadas fueron de la empresa HBM. Las características de las

mismas son:

Tabla 2-6: Características galgas extensométricas.

Nombre

Resistencia

Nominal

Dimensiones (mm) Voltaje de

Excitación

Medida de la

Resistencia

Medida de

la Galga

Ω a b c d V

1-RY81-3/350 350 3 1 9.7 14.6 5.5

1-LY41-6/350 350 6 2.7 13.9 5.9 15

Los especímenes estuvieron instrumentados en los puntos críticos que fueron indicados por el cliente. En total, 2 rosetas y 10 bandas undireccionales fueron instaladas en los especímenes de caracterización estática y 6 rosetas

y 6 bandas unidireccionales en los ensayos de fatiga y tolerancia al daño. A continuación se muestran los planos

de extensometría.


50

Figura 2-35: Plano de extensometría general ensayos estáticos – lado “FRONT”.

Figura 2-36: Plano de extensometría general ensayos estáticos – lado “REAR”.

Debido a interferencias con el sistema de introducción de carga, en el espécimen 249-S8 se desplazaron 10mm

las galgas EXTIMP-01 y EXTIMP-02, como se muestra en los siguientes planos.

51



Figura 2-37: Plano de extensometría 249-S8 – lado “FRONT”.

Figura 2-38: Plano de extensometría 249-S8 – lado “REAR”.

Por último, se muestran los planos de extensometría para los ensayos de fatiga y tolerancia al daño.


52

Figura 2-39: Plano de extensometría general ensayos dinámicos – lado “FRONT”.

Figura 2-40: Plano de extensometría general ensayos dinámicos – lado “REAR”.

2.5.4 Resumen instrumentación

Para finalizar esta sección, se muestra una tabla resumen con toda la instrumentación empleada en el estudio

experiemental.

53



Tabla 2-7: Resumen instrumentación

CANAL UNIDAD SENSOR MAGNITUD

EXT-01 µm/m 1-LY41-6/350 Deformación








EXTIMP-01 µm/m 1-LY41-6/350 Deformación

EXTIMP-02 µm/m 1-LY41-6/350 Deformación

R-01a µm/m 1-RY81-3/350 Deformación

R-01b µm/m 1-RY81-3/350 Deformación

R-01c µm/m 1-RY81-3/350 Deformación
















Carga kN Célula de Carga Fuerza

Posición mm LVDT Desplazamiento


54

2.6 INSPECCIONES NO DESTRUCTIVAS

En esta sección se recoge el procedimiento seguido para la realización de las inspecciones no destructivas. En

primer lugar, indicar que por inspección no destructiva se entiende aquella que no modifica ni físicamente, ni

químicamente las propiedades del materials.

En esta campaña se definieron dos tipos de inspecciones no destructivas:

- Inspecciones visuales: Aquella inspección que se realiza por el técnico encargado de la ejecución de

los ensayos. En esta inspección se pretende evaluar cualquier discrepancia, observable al ojo humano,

con respecto la especificación, así como, tras la ejecución de los ensayos, cualquier rotura, delaminación o deformación permanente que sea apreciable en las muestras.

- Inspecciones por ultrasonido: Esta técnica consiste en la distorsión que una onda o conjunto de ondas

de alta frecuencia sufre en función del medio en el que viajan. En la siguiente figura se muestra un

esquema básico del proceso.

Figura 2-41: Esquema inspección ultrasónica (Ref. 15).

Una breve explicación del procedimiento es el siguiente. La onda de sonido es transmitida por el

transductor, generalmente llamado palpador, hacia el material. En el material, la velocidad de la onda es distorsionada en función del estado del material y se refleja en las interfaces del material, volviendo

una señal reflejada al palpador. La señal que observa el palpador es analizada por un equipo que permite

distinguir si existe algún tipo de defecto en el espécimen/material.

Figura 2-42: Equipo de ultrsonido empleado en la campaña de ensayo.

Las inspecciones por ultrasonidos son el método de inspección no destructiva más empleado cuando se

trabaja con materiales compuestos.

En este estudio experimental se estableció una secuencia de inspecciones a realizar antes, durante y después de los ensayos. La secuencia es diferente en función de si se trataban de ensayos estáticos o de ensayos sometidos

a ciclos de fatiga.

55



2.6.1 Ensayos estáticos

- Antes del ensayo se realiza una inspección ultrasónica y una inspección visual para asegurar que el

espécimen estaba de acuerdo a la especificación (Ref. 7).

- Después de alcanzar el escalón del 70% de la carga estimada de rotura, se realizó una inspección

ultrasónica para determinar la evolución de los daños artificiales y el daño causado por el impacto. Así

mismo, se revisa todo el espécimen para comporbar que ningún otro daño ha aparecido.

- Por último, después del ensayo a rotura, se realiza tanto una inspección visual como ultrasónica para

medir el área dañada tras la rotura.

2.6.2 Ensayos a fatiga y tolerancia al daño

- Antes del ensayo se realiza una inspección ultrasónica y una inspección visual para asegurar que el

espécimen estaba de acuerdo a la especificación (Ref. 7).

- Durante el ensayo, se realizarón inspecciones ultrasónicas cada 2 bloques de fatiga (bloque de fatiga

formado por 2880 ciclos) para determinar la evolución de los daños artificiales y el daño causado por el impacto. Así mismo, se revisa todo el espécimen para comporbar de que ningún otro daño ha

aparecido.

- Por último, después del ensayo de resistencia residual o tolerancia al daño se realiza tanto una inspección

visual como ultrasónica para medir el área dañada tras la rotura.


56

2.7 SECUENCIA DE ENSAYOS Y CASOS DE CARGA

2.7.1 Secuencia de ensayos

La secuencia de ensayos realizados fue genérica en función de la tipología del ensayo: estático, fatiga o tolerancia

al daño.

2.7.1.1 Ensayos estáticos

1. Recepción del espécimen.

2. Inspección visual y ultrasónica.

3. Instrumentación del espécimen.

4. Instalación del espécimen en el set-up.

5. Precarga hasta el 30% de la carga estimada de fallo.

6. Descarga.

7. Calibración

8. Carga hasta el 70% de la carga estimada de fallo.

9. Inspección ultrasónica.

10. Carga hasta rotura.


2.7.1.2 Ensayo a fatiga





5. Precarga estática hasta 10,5kN en dirección UP y hasta 13,7kN en dirección DOWN.

6. Ensayo de dos bloques de fatiga (espectro random dado por el cliente).










16. Ensayo estático hasta 10,5kN en dirección UP y hasta 13,7kN en dirección DOWN.


18. Retirada de la placa trasera del sistema de introducción de carga.

19. Precarga estática hasta 10,2kN en dirección UP.


57



21. Ensayo estático hasta carga límite (13,7kN) en dirección UP.


23. Ensayo estático hasta rotura.


2.7.1.3 Ensayo tolerancia al daño





5. Precarga estática hasta 10,5kN en dirección UP y hasta 13,7kN en dirección DOWN.

6. Ensayo de un bloque de fatiga (espectro random dado por el cliente).






12. Ensayo estático hasta 10,5kN en dirección UP y hasta 13,7kN en dirección DOWN.


14. Retirada de la placa trasera del sistema de introducción de carga.

15. Precarga estática hasta 10,2kN en dirección UP.


17. Ensayo estático hasta carga límite (13,7kN) en dirección UP.


19. Ensayo estático hasta rotura.


2.7.2 Casos de carga

Todos los ensayos estáticos fueron realizados mediante control en desplazamiento, mientras que los ensayos de fatiga se realizaron con control en carga para replicar el espectro random dado por el cliente.

2.7.2.1 249-S1

- Precarga estática hasta 2kN, dirección UP.

- Ensayo estático hasta 8,6kN, dirección UP.

- Ensayo estático hasta rotura, dirección UP.

2.7.2.2 249-S2





58

2.7.2.3 249-S3




2.7.2.4 249-S4

- Precarga estática hasta 2kN, dirección DOWN.

- Ensayo estático hasta 7kN, dirección DOWN.

- Ensayo estático hasta 7500 microdeformaciones, dirección DOWN.

- Ensayo estático hasta rotura, dirección DOWN.

2.7.2.5 249-S5


- Precarga estática hasta 1200 microdeformaciones, dirección UP.

- Ensayo estático hasta 3900 microdeformaciones (I), dirección UP.

- Ensayo estático hasta 3900 microdeformaciones (II), dirección UP.


2.7.2.6 249-S6

- Precarga estática hasta 1100 microdeformaciones (I), dirección UP.

- Precarga estática hasta 1100 microdeformaciones (II), dirección UP.

- Precarga estática hasta 1100 microdeformaciones (III), dirección UP.





- Precarga estática hasta 5kN con actuador de 100kN, dirección DOWN.

- Ensayo estático hasta rotura con actuador de 100kN, dirección DOWN.

2.7.2.7 249-S7

- Precarga estática hasta 1100 microdeformaciones (I), dirección UP.

- Ensayo estático hasta 13,5kN – Limit Load (LL) (I), dirección UP.

- Ensayo estático hasta 16,8kN (1,25LL) (I), dirección UP.

- Precarga estática hasta 1100 microdeformaciones (II), dirección UP.

- Ensayo estático hasta 13,5kN (LL) (II), dirección UP.

- Ensayo estático hasta 16,8kN (1,25LL) (II), dirección UP.


2.7.2.8 249-S8


- Ensayo estático hasta 13,5kN (LL) (II), dirección UP.

59



- Ensayo estático hasta 16,8kN (1,25LL) (II), dirección UP.


2.7.2.9 249-S9




2.7.2.10 249-S10




2.7.2.11 249-F1




2.7.2.12 249-F4

- Precarga estática hasta 10,5kN en dirección UP y hasta 13,7kN en dirección DOWN.

- Ensayo a fatiga de 10 bloques del espectro random dado por el cliente.

- Ensayo estático hasta 10,5kN en dirección UP y hasta 13,7kN en dirección DOWN.




2.7.2.13 249-T1

- Precarga estática hasta 10,5kN en dirección UP y hasta 13,7kN en dirección DOWN.

- Ensayo a fatiga de 5 bloques del espectro random dado por el cliente.

- Ensayo estático hasta 10,5kN en dirección UP y hasta 13,7kN en dirección DOWN.





60

3 RESULTADOS

En primer lugar mostraremos una tabla resumen con los resultados obtenidos, para, a continuación, mostrar con

mayor detalle los resultados de cada uno de los especímenes. Acompañando las gráficas de resultados, se mostrarán imágenes de las roturas, así como los resultados obtenidos en las inspecciones ultrasónicas.

Indicar que las gráficas que se representarán, serán únicamente las referidas al ensayo final hasta rotura de los

especímenes.

Tabla 3-1: Resumen de resultados.

Número Especimen

Referencia Especimen

Tipo de Ensayo

Configuración del Ensayo a Rotura

Set-up del Ensayo a Rotura

Carga de Fallo (kN)

1 249-S1 Estático Up Rig 1 9.15



4 249-S4 Estático Down Rig 1 15.51



7 249-F1 Estático Up Rig 3 20.35





12 249-F4 Fatiga Up Rig 4 17.90

13 249-T2 Fatiga Up Rig 4 16.82

Resultados

62

3.1 ENSAYOS ESTÁTICOS

3.1.1 249-S1

Figura 3-1: 249-S1 – Rotura – R-01a, R-02a, EXT-02, EXT-03, EXT-06 y EXT-07.

Estas bandas son las que se encuentran en la zona del joggle. A simple vista cabe destacar el bending que ya

esperábamos que se produjese. La comparativa entre bandas “back to back” muestra que mientras por el lado “FRONT” tenemos microdeformaciones negativas (compresión), en el lado “REAR” tenemos

microdeformaciones positivas (tracción).

Otro aspecto destacable es como la roseta trasera tiene un comportamiento diferente al resto de canales, de hecho comienza con micordeformaciones positivas. Tras analizar la configuración, no hemos obtenido una explicación

concreta del fenómeno, no considerándolo un efecto excesivamente relevante viendo el comportamiento del

resto de canales.

Figura 3-2: 249-S1 – Rotura – EXT-01, EXT-04 y EXT-05.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000

Load

(kN

)

µm/mR-01a R-02a EXT-02EXT-03 EXT-06 EXT-07

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-14000 -12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0

Load

(kN

)

µm/mEXT-01 EXT-04 EXT-05

63



Estas bandas son las que se encuentran en la primera fila de remaches de unión entre la piel y el larguero frontal.

Presenta un comporatmiento predictible, con valores superiores, en cuanto a microdeformaciones, a los que se

observaban en las bandas del joggle.

Simplemente señalar, que en esta ocasión la banda de uno de los laterales tiene valores ligeramente superiores a las bandas centrales y del otro lateral, esto es posible por el juego existente en la configuración de ensayo.

Figura 3-3: 249-S1 – Rotura – EXT-08.

Banda extensométrica situada cerca del encastre y posterior a las dos filas de remaches. Es lógico que sus niveles,

siendo de compresión, sean casi un orden de magnitud inferior, debido a la cercanía con el encastre y a que los remaches absorveran gran parte de los esfuerzos.

Figura 3-4: 249-S1 – Rotura – EXTIMP-01 y EXTIMP-02.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-4000 -3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0

Load

(kN

)

µm/mEXT-08

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500

Load

(kN

)

µm/mEXTIMP-01 EXTIMP-02

Resultados

64

El fenómeno que se observa en esta figura se repetirá en próximos especímenes. El motivo fundamental se debe

a efectos de la propia geometría, desplazamientos y deformación de la muestra. La curva del joggle tiende a

enderazarse, cuando es cargada en la dirección UP, por los esfuerzos de flexión, lo que conlleva que aguas

arribas podamos ver este efecto de disminución de microdeformaciones e incluso, en otros especímenes, cambio en el signo de las deformaciones.

Figura 3-5: 249-S1 – Rotura – R-01b y R-02b.

Figura 3-6: 249-S1 – Rotura – R-01c y R-02c.

Estos canales son los dos canales restantes de la roseta. En principio, excepto que se observe alguna anomalía,

no realizaré ningún comentario sobre ellos.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-100 -50 0 50 100 150 200 250

Load

(kN

)

µm/mR-01b R-02b

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000

Load

(kN

)

µm/mR-01c R-02c

65



Figura 3-7: 249-S1 – Rotura – Posición.

Aunque se observa en todos los canales, en la posición se puede apreciar con mayor nitidez las disminuciones

de carga sin aumento del desplazamiento del sistema de introducción de la carga. Este efecto es debido a roturas

de fibras en el espécimen y será una constante en todos los especímenes.

Ejecutado el ensayo, se procedió a la inspección visual del espécimen, no encontrándose ninguna delaminación

observable al ojo humano. Igualmente, se realizó la inspección ultrasónica correspondiente y en ella se observó

una delaminación interna a lo largo del joggle, pero sin alcanzar los extremos del mismo, motivo por el cual no

se veía al ojo humano.

Figura 3-8: Inspección UT 249-S1.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0

Load

(kN

)

mmPosition

Resultados

66

Tabla 3-2: Tabla resumen inspección UT 249-S1.

NOMBRE TIPOLOGÍA ESTADO TAMAÑO (mm) PROFUNDIDAD (mm)

Daño Delaminación Nuevo 384x37 0,4x1,6

Teflón Delaminación Sin cambios 32x22 1,65

Impacto Delaminación Sin cambios 38x30 0,8x2,4

3.1.2 249-S2



0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000

Load

(kN

)


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0

Load

(kN

)


67



En principio, este espécimen se comporta de manera muy similar al anterior, excepto la anomalía que

encontramos en los canales EXT-06 y EXT-05. En el caso de EXT-06, se observa que presenta un valor mayor

de microdeformaciones al resto de canales situados en el mismo lado del joggle que él. Así mismo, su banda

“back to back” sí tiene un comportamiento más parecido al del resto, luego es un efecto puntual que se produce en dicha zona del espécimen y por el lado del “FRONT”. En principio, sin tener una explicación concluyente,

entendemos que se deberá a algún tipo de defecto en cuanto a planitud o paralelismo entre caras del espécimen.

Sin embargo, el comportamiento del canañl EXT-05, que se encuentra en la primera fila de remaches del “FRONT”, está viendo valores inferiores de microdeformaciones que el resto de canales situados en la misma

fila de remaches.



Con la figura siguiente podremos entender de mejor manera que sucede en el joggle que provoca este efecto de

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-4000 -3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0

Load

(kN

)

µm/mEXT-08

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-1500 -1000 -500 0 500 1000

Load

(kN

)


Resultados

68

cambio de signo en las microdeformaciones de las bandas situadas junto al impacto.

Figura 3-13: Rotura 249-S2.

Como se observa, la curvatura del joggle tiende a desaparecer, estirando la zona de transición. No sólo es este

efecto el que se observa en estas bandas, ya que su situación cercana a un área delaminada, también influye en

su comportamiento.


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-50 0 50 100 150 200

Load

(kN

)

µm/mR-01b R-02b

69





Ejecutado el ensayo, se procedió a la inspección visual del espécimen, encontrándose delaminaciónes observable

al ojo humano.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000

Load

(kN

)

µm/mR-01c R-02c

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 5 10 15 20 25 30

Load

(kN

)

mmPosition

Resultados

70

Figura 3-17: Inspección visual 249-S2.

Igualmente, se le realizó la inspección ultrasónica.







71



3.1.3 249-S3



0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000

Load

(kN

)


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0

Load

(kN

)


Resultados

72



0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0

Load

(kN

)

µm/mEXT-08

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000

Load

(kN

)


73





Debido a un error en la configuración de los canales, la posición no fue almacenada en este ensayo. Por lo demás,

los resultados son los que se podían intuir viendo el comportamiento de los especímenes anteriores.


al ojo humano.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-50 0 50 100 150 200

Load

(kN

)

µm/mR-01b R-02b

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000

Load

(kN

)

µm/mR-01c R-02c

Resultados

74

Figura 3-25: Inspección visual 249-S3.








75



3.1.4 249-S4



-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

-15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000

Load

(kN

)

µm/mR-01a R-02a EXT-02

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000

Load

(kN

)


Resultados

76



-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Load

(kN

)

µm/mEXT-08

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000

Load

(kN

)


77





-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

-1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500

Load

(kN

)

µm/mR-01b R-02b

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000

Load

(kN

)

µm/mR-01c R-02c

Resultados

78


El comportamiento es el esperable, únicamente destacar el cambio de signo de la carga para resaltar la dirección

del ensayo, DOWN.


al ojo humano.

Figura 3-34: Inspección visual 249-S4 (I).

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

Load

(kN

)

mmPosition

79



Figura 3-35: Inspección visual 249-S4 (II).







Impacto Delaminación Crecimiento 59x26 0,56x2,47

Resultados

80

3.1.5 249-S5



0

2

4

6

8

10

12

14

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000

Load

(kN

)

µm/mEXT-02 R-01a EXT-06

EXT-03 R-02a EXT-07

0

2

4

6

8

10

12

14

-12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0

Load

(kN

)


81





La banda extensométrica EXTIMP-02 fue dañada durante el ensayo estático hasta 3900µm/m (2), por este

motivo no se recogen datos de la misma en este ensayo.

0

2

4

6

8

10

12

14

-4000 -3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0

Load

(kN

)

µm/mEXT-08

0

2

4

6

8

10

12

14

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0

Load

(kN

)


Resultados

82



0

2

4

6

8

10

12

14

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

Load

(kN

)

µm/mR-01b R-02b

0

2

4

6

8

10

12

14

-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000

Load

(kN

)

µm/mR-01c R-02c

83




El único efecto reseñable es el cambio de altura del sistema de introducción de carga. Esta modificación provoca

menores deformaciones para un mismo nivel de carga, al tener un menor brazo de flexión.


al ojo humano.


0

2

4

6

8

10

12

14

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0

Load

(kN

)

mmPosition

Resultados

84







Teflón Delaminación Crecimiento 30x22 1,78


85



3.1.6 249-S6


En esta ocasión, los niveles comparativos entre bandas “back to back”, muestran que tienen mayores

deformaciones las bandas situadas en el “REAR” que las situadas en “FRONT”. El motivo fundamental es probable que se deba a una incorrecta colocación del espécimen. Al ser la diferencia poco significativa se optó

por continuar el ensayo.


-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000

Load

(kN

)


EXT-03 R-02a EXT-07

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-5000 0 5000 10000 15000 20000

Load

(kN

)


Resultados

86



-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Load

(kN

)

µm/mEXT-08

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400

Load

(kN

)


87





-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150

Load

(kN

)

µm/mR-01b R-02b

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000

Load

(kN

)

µm/mR-01c R-02c

Resultados

88



al ojo humano.



-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-35,0 -30,0 -25,0 -20,0 -15,0 -10,0 -5,0 0,0

Load

(kN

)

mmPosition

89



Figura 3-56: Inspección visual 249-S6 (III).

Figura 3-57: Inspección visual 249-S6 (IV).


Figura 3-58: Inspección UT 249-S6 (I).

Resultados

90

Figura 3-59: Inspección UT 249-S6 (II).



Daño Joggle Delaminación Nuevo 600x32 0,26x1,24

Daño Larguero Delaminación Nuevo 600x35 0,32x0,76



3.1.7 249-S7


Esta gráfica muestra un efecto que será observado en el resto de especímenes ensayados con la configuración

0

5

10

15

20

25

-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000

Load

(kN

)


EXT-03 R-02a EXT-07

91



de ensayos 3 y 4 (guías lineales). Las bandas EXT-02 y EXT-03 no muestran un comportamiento lineal del

crecimiento de las deformaciones con la carga. Esto es debido, seguramente, a algún mínimo desalineamiento

del paralelismo de las guías lineales.



0

5

10

15

20

25

-16000 -14000 -12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000

Load

(kN

)


0

5

10

15

20

25

-6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000

Load

(kN

)

µm/mEXT-08

Resultados

92



0

5

10

15

20

25

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40

Load

(kN

)


0

5

10

15

20

25

-200 -150 -100 -50 0 50 100

Load

(kN

)

µm/mR-01b R-02b

93






al ojo humano.

0

5

10

15

20

25

-2000 -1000 0 1000 2000 3000

Load

(kN

)

µm/mR-01c R-02c

0

5

10

15

20

25

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0

Load

(kN

)

mmPosition

Resultados

94





95




NOMBRE TIPOLOGÍA ESTADO TAMAÑO

(mm)

PROFUNDIDAD

(mm)


Teflón Delaminación Daño original cubierto por el

nuevo daño 33x24 1,75


3.1.8 249-S8


Se continúa observando el aumento no lineal de las micordeformaciones con la carga, seguramente debido a

efectos introducidos por las guías lineales en la ejecución del ensayo.


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000

Load

(kN

)


EXT-03 R-02a EXT-07

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0

Load

(kN

)


Resultados

96



0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0

Load

(kN

)

µm/mEXT-08

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

Load

(kN

)


97





0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150

Load

(kN

)

µm/mR-01b R-02b

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-2000 -1000 0 1000 2000 3000

Load

(kN

)

µm/mR-01c R-02c

Resultados

98



al ojo humano.


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0

Load

(kN

)

mmPosition

99








(mm)

PROFUNDIDAD

(mm)



nuevo daño 45x27 1,8

Impacto Delaminación Daño original cubierto por el

nuevo daño 42x34 0,62x3,3

Resultados

100

3.1.9 249-S9


En la dirección DOWN, el aumento no lineal de las micordeformaciones con la carga, únicamente se aprecia en

el tramo final, habiéndose recogido ruidos de rotura previamente, por lo que no sería en este caso achacable a las guías lineales, sino a una pérdida de rigidez debido a la rotura de las fibras.


-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000

Load

(kN

)


EXT-03 R-02a EXT-07

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 5000 10000 15000 20000

Load

(kN

)


101





-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Load

(kN

)

µm/mEXT-08

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

Load

(kN

)


Resultados

102



-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-300 -200 -100 0 100 200 300

Load

(kN

)

µm/mR-01b R-02b

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000

Load

(kN

)

µm/mR-01c R-02c

103





al ojo humano.



-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-30,0 -25,0 -20,0 -15,0 -10,0 -5,0 0,0

Load

(kN

)

mmPosition

Resultados

104




Figura 3-91: Inspección UT 249-S9 (I).

Figura 3-92: Inspección UT 249-S9 (II).

105





(mm)

PROFUNDIDAD

(mm)



Teflón Delaminación Daño original cubierto

por el nuevo daño 31x23 1,75

Impacto Delaminación Sin cambio 40x30 0,2x3,3

3.1.10 249-S10



-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000

Load

(kN

)


EXT-03 R-02a EXT-07

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 5000 10000 15000 20000

Load

(kN

)


Resultados

106



-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Load

(kN

)

µm/mEXT-08

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-400 -300 -200 -100 0 100 200

Load

(kN

)


107





-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100

Load

(kN

)

µm/mR-01b R-02b

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000

Load

(kN

)

µm/mR-01c R-02c

Resultados

108



al ojo humano.



-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-35,0 -30,0 -25,0 -20,0 -15,0 -10,0 -5,0 0,0

Load

(kN

)

mmPosition

109






Figura 3-104: Inspección UT 249- S10 (I).

Resultados

110

Figura 3-105: Inspección UT 249- S10 (II).

Tabla 3-11: Tabla resumen inspección UT 249- S10.


(mm)

PROFUNDIDAD

(mm)




por el nuevo daño 32x24 1,75


3.1.11 249-F1

Figura 3-106: 249-F1 – Rotura – R-01a, R-02a, EXT-02, EXT-03, EXT-06 y EXT-07.

0

5

10

15

20

25

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Load

(kN

)


EXT-03 R-02a EXT-07

111



Figura 3-107: 249-F1 – Rotura – EXT-01, EXT-04 y EXT-05.

Figura 3-108: 249-F1 – Rotura – EXT-08.

0

5

10

15

20

25

-12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0

Load

(kN

)


0

5

10

15

20

25

-7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0

Load

(kN

)

µm/mEXT-08

Resultados

112

Figura 3-109: 249-F1 – Rotura – EXTIMP-01 y EXTIMP-02.

Figura 3-110: 249-F1 – Rotura – R-01b y R-02b.

0

5

10

15

20

25

-80 -60 -40 -20 0 20 40

Load

(kN

)


0

5

10

15

20

25

-150 -100 -50 0 50 100 150

Load

(kN

)

µm/mR-01b R-02b

113



Figura 3-111: 249-F1 – Rotura – R-01c y R-02c.

Figura 3-112: 249-F1 – Rotura – Posición.


al ojo humano.

0

5

10

15

20

25

-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000

Load

(kN

)

µm/mR-01c R-02c

0

5

10

15

20

25

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0

Load

(kN

)

mmPosition

Resultados

114

Figura 3-113: Inspección visual 249-F1 (I).

Figura 3-114: Inspección visual 249- F1 (II).


115



Figura 3-115: Inspección UT 249- F1.

Tabla 3-12: Tabla resumen inspección UT 249- F1.


(mm)

PROFUNDIDAD

(mm)


Teflón Delaminación Crecimiento 32x24 1,8-1,9


Resultados

116

3.2 ENSAYOS A FATIGA Y TOLERANCIA AL DAÑO

3.2.1

3.2.2 249-F4

Figura 3-116: 249-F4 – Rotura – R-01a, R-02a, R-03a, R-04a, R-05a y R-06ª.

Figura 3-117: 249-F4 – Rotura – EXT-08.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000

Load

(kN

)

µm/mR-03a R-01a R-05a

R-04a R-02a R-06a

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0

Load

(kN

)

µm/mEXT-08

117



Figura 3-118: 249-F4 – Rotura – EXTIMP-01 y EXTIMP-02.

Figura 3-119: 249-F4 – Rotura – R-01b y R-02b.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-80 -60 -40 -20 0 20 40

Load

(kN

)


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-150 -100 -50 0 50 100

Load

(kN

)

µm/mR-01b R-02b

Resultados

118

Figura 3-120: 249-F4 – Rotura – R-01c y R-02c.

Figura 3-121: 249-F4 – Rotura – Posición.

Las bandas EXT-01, EXT-04 y EXT-05 fallaron durante los bloques de fatiga.

Ejecutado el ensayo, se procedió a la inspección visual del espécimen, encontrándose delaminaciónes observable al ojo humano.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000

Load

(kN

)

µm/mR-01c R-02c

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0

Load

(kN

)

mmPosition

119



Figura 3-122: Inspección visual 249-F4 (I).

Figura 3-123: Inspección visual 249- F4 (II).


Figura 3-124: Inspección UT 249- F4.

Tabla 3-13: Tabla resumen inspección UT 249- F4.


(mm)

PROFUNDIDAD

(mm)



por el nuevo daño 31x22 1,7-1,85


Resultados

120

3.2.3 249-T2

Figura 3-125: 249-T2 – Rotura – R-01a, R-02a, R-04a, R-05a y R-06ª.

Figura 3-126: 249-T2 – Rotura – EXT-08.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

-4000 -2000 0 2000 4000 6000

Load

(kN

)

µm/mR-03a R-01a R-05a

R-04a R-02a R-06a

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

-6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0

Load

(kN

)

µm/mEXT-08

121



Figura 3-127: 249-T2 – Rotura – EXTIMP-01 y EXTIMP-02.

Figura 3-128: 249-T2 – Rotura – R-01b y R-02b.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

-100 -80 -60 -40 -20 0 20

Load

(kN

)


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250

Load

(kN

)

µm/mR-01b R-02b

Resultados

122

Figura 3-129: 249-T2 – Rotura – R-02c.

Figura 3-130: 249-T2 – Rotura – Posición.

Los canales R-03a, R-01c, EXT-01, EXT-04 and EXT-05 fallaron durante los bloques de fatiga.

Ejecutado el ensayo, se procedió a la inspección visual del espécimen, encontrándose delaminaciónes observable al ojo humano.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Load

(kN

)

µm/mR-01c R-02c

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0

Load

(kN

)

mmPosition

123



Figura 3-131: Inspección visual 249-T2 (I).

Resultados

124

Figura 3-132: Inspección visual 249-T2 (II).


Figura 3-133: Inspección UT 249-T2.

Tabla 3-14: Tabla resumen inspección UT 249-T2.


(mm)

PROFUNDIDAD

(mm)



nuevo daño 30x21 1,7-2

Impacto Delaminación Daño original cubierto,

parcialmente, por el nuevo daño 66x34 0,2x3,4

125



4 ANÁLISIS DE RESULTADOS

Una vez expuestos los resultados de la campaña de ensayos, estamos en condiciones de analizar la influencia de

cada uno de los parámetros que han intervenido en ésta. Los parámetros considerados son: influencia de la dirección de carga, influencia del set-up de ensayos, deterioro causado por el ciclado de fatiga e influencia de un

impacto con mayor energía.

El análisis de estos parámetros nos llevará a extraer las conclusiones expuestas en la última sección.

INFLUENCIA SET-UP ENSAYOS

Con respecto a las modificaciones realizadas en el set up de ensayos, podemos analizar dos parámetros, el

cambio de altura de la aplicación de la carga y la introducción de las guías lineales.

Los efectos que han producido dichos parámetros no pueden ser estudidados de manera aislada, debido a que

cuando se realizó el cambio entre el set up 2 y el set up 3, se introdujeron ambos a la vez.

Para realizar estudios estadísticos sobre materiales compuestos, el número de probetas recomendadas suele ser de cinco unidades, en esta ocasión no tenemos una muestra tan significativa por configuración, pero podremos

extraer consideraciones relevantes.

Tabla 4-1: Estudio estádistico de los resultados.

Set Up Dirección de

Carga

Valor Medio de la carga

de fallo (kN)

Desviación

Estándar (kN)

Coeficiente de

Variación (%)

Rig 1 UP 8,78 0,4 4,56

Rig 4 UP 19,33 1,66 8,59

Rig 1 DOWN 15,51 - -

Rig 4 DOWN 33,58 0,84 2,51

Antes de analizar la tabla, indicar que las valoraciones que se hagan del estudio de la relación entre la

configuración 1 y 4 para la dirección de ensayos DOWN, serán tenidas en cuenta únicamente como información

cualitativa, ya que de la configuración 1, sólo se ensayó un espécimen.

La relación de carga de fallo entre configuraciones, siempre realizando una comparativa entre los especímenes

de la misma dirección de carga, es prácticamente la misma en ambas direcciones, 2,2 en la dirección UP y 2,16

en la dirección DOWN. Esto parece hacer indicar, que si bien en las gráficas se observaba una influencia de las guías lineales en la dirección UP que provocaba la no linealidad en el incremento de las micordeformaciones

con la carga, el efecto más significativo es la modificación de la altura en la introducción de carga.

Análisis de Resultados

126

Figura 4-1: 249-S8 – Efecto no linealidad entre deformación y carga.

La influencia de las guías lineales en la no linealidad del incremento de deformaciones con la carga, daría pie a un estudio de cálculo numérico en profundidad, ya que el hecho de que dicho suceso ocurra en la dirección UP

y no en la DOWN, podría derivar de la deformación que se produce en el joggle y no sólo por un inadecuado

paralelismo entre las guías lineales. El joggle durante el ensayo, tiende a perder el “escalon”, enderezando la placa que simula la piel del estabilizador horizontal. Este efecto era más evidente en las bandas EXTIMP-01 y

EXTIMP-02 cuando las mismas estaban situadas entre el joggle y el sistema de introducción de la carga.

Además, durante los ensayos en vacío de las guías lineales, no se observaba un rozamiento excesivo que diese

lugar a considerar un mal alineamiento de las mismas.

Por lo demás, se observa un bajo coeficiente de variación, en general menor con el uso de las guías lineales.

Podría parecer una contradicción lo comentado con lo que se observa en la tabla, pero hay que tener en cuenta

que la muestra 249-S8, probeta con el valor más bajo de carga a rotura, fue la única que presentó un incremento en la delaminación provocada por la inserción de teflón en el centro del laminado en ensayos previos al ensayo

de rotura, lo que hace prever que dicho espécimen no fue fabricado tan eficientemente como los demás, de hecho

si se observa la inspección UT, el daño es de un ancho, aproximadamente, igual al ancho del teflón y se extiende a lo largo de todo el espécimen.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000

Load

(kN

)


EXT-03 R-02a EXT-07

127



Figura 4-2: Inspección UT tras ensayo estático hasta 1,25LL 249-S8.

Tabla 4-2: Tabla resumen inspección UT tara ensayo estático hasta 1,25LL 249- S8.


(mm)

PROFUNDIDAD

(mm)

Daño - - - -

Teflón Delaminación Crecimiento 45x27 1,8


En el caso de descartar dicha muestra, el coeficiente de variación sería tan sólo de 0,44%.

INFLUENCIA DIRECCIÓN INTRODUCCIÓN DE CARGA

Haciendo uso de la tabla 4-1, se observa rápidamente que el valor medio de la carga de rotura es claramente superior en la dirección DOWN con respecto a la dirección UP, prácticamente el doble de carga.

Si la configuración del espécimen fuese simétrica, piel plana sin joggle y unión al larguero por ambos lados de

la piel, el resultado debería ser idéntico y la dirección de introucción de carga no tendría ninguna influencia.

Con la configuración de espécimen que estamos trabajando tenemos un doble efecto que provoca la diferencia

de resultados, el comportamiento del joggle y el lado por el que se produce la unión al larguero.

De acuerdo a como se observaba en las figuras 2-11 y 2-12, el joggle no tiene el mismo tipo de deformación en

la dirección UP que en la dirección DOWN. En la dirección UP tenderá a “enderezarse”, mientras que en la


128

dirección DOWN, al tener muy cercana la placa que simula el ala del larguero frontal, su tendencia será a

plegarse sobre dicha placa.

El efecto de “enderazarse” en la dirección UP, unido al teflón existente en la muestra, provoca que el modo de

fallo habitual sea el de una delaminación a lo laro del joggle que alcanaza hasta la primera fila de remaches.

Figura 4-3: Modo de fallo espécimen dirección UP.

El modo de fallo en la dirección DOWN es diferente, si bien también aparecen delaminaciones, éstas no parecen

estar dominadas por el teflón, si no por el aplastamiento del joggle contra la placa que simula el ala del larguero

frontal. Además, cuando se modificó la altura de la introudcción de carga, aparece también un fallo de delaminaciones por esfuerzos en la segunda línea de remaches.

129



Figura 4-4: Modo de fallo espécimen dirección DOWN.

INFLUENCIA CICLOS DE FATIGA

Al igual que sucedía con la comparación entre configuraciones de ensayos en la dirección DOWN, esta

comparación deber ser asumida únicamente de un modo cualitativo, ya que sólo tenemos una muestra que haya

sido somentida a fatiga.

En general, la influencia de la fatiga parece ser baja. Durante los bloques de fatiga se realizaron inspecciones

periódicas sin encontrar ningúnn tipo de crecimiento de daño. Además, su carga de fallo, aun siendo entorno a

un 6% inferior a la medía de las probetas sometidas a ensayos estáticos en la dirección UP, es mayor que la

muestra 249-S8.

En general, se precisaría de un mayor número de muestras para poder alcanzar conclusiones más significativas.

INFLUENCIA TOLERANCIA AL DAÑO

Al igual que sucedía con la comparación entre configuraciones de ensayos en la dirección DOWN y en el estudio

de la influencia de la fatiga, esta comparación deber ser asumida únicamente de un modo cualitativo, ya que sólo

tenemos una muestra.

A diferencia de lo que sucedía con la fatiga, el mayor nivel de la energía de impacto, si parece que influye en la

carga de fallo de rotura. Durante los bloques de fatiga (recordar que únicamente estuvo sometido a la mitad de

ciclos en comparación con la muestra de fatiga) se realizaron inspecciones periódicas sin encontrar ningún tipo de crecimiento de daño. Sin emabrgo, si comparamos su carga de fallo con la de los especímenes ensayados en

la dirección UP y con la configuración de ensayo 4, podemos ver que su nivel es el más bajo de todos. Como

datos cuantitativos, su carga de fallo es un 13% inferior a la media e incluso un 4,5% inferior a la carga de fallo

de la probeta 249-S8, la cual, ya hemos comentado, que todo parece indicar que tenía algún ligero defecto de fabricación.


130

Dado que durante los bloques de fatiga no se apreció crecimiento de los defectos, parece que la explicación más

sencilla podría ser el hecho de que con el impacto de 90J, la huella del daño alcanza el joggle. Esta explicación

parece plausible, observando que el modo de fallo de la muestra sigue siendo el mismo que en el resto de

muestras ensayadas con la configuración 4 y dirección UP. La mecánica del fallo es la misma, y únicamente precipita dicho fallo el hecho de que haya delaminaciones previas en el joggle.

131



5 CONCLUSIONES

Tras analizar los resultados de la campaña podemos alcanzar las siguientes conclusiones.

CONFIGURACIÓN DE ENSAYO

Tras analizar los datos obtenidos, parece que el parámetro que más influye es la altura de introducción de la

carga. Esta modificación, no sólo hace aumentar la carga de fallo en ambas direcciones, efecto previsible al acercar el sistema de introducción de carga hacia el encastre y hacia la unión entre la piee y el larguero frontal,

sino que modifica en parte el modo de fallo en la dirección DOWN.

DIRECCIÓN INTRODUCCIÓN CARGA

Hemos podido comprobar que la asimetría de la geometría de los especímenes, provoca que la dirección en la

introducción de carga juega un papel fundamental, siendo el doble la carga de fallo en la dirección DOWN en

comparación con la dirección UP. De hecho, el modo de fallo es parcialmente diferente.

MODO DE FALLO

El modo de fallo principal es por delaminación en el joggle. Este modo de fallo se observa en todas las probetas, independiente de la configuración de ensayo o de la dirección de la carga.

Siendo esto cierto, habría que reseñar que para la configuración 4 en la dirección DOWN aparece otro daño en

la segunda fila de remaches de unión entre la piel y el larguero, como consecuencia de las tensiones a las que está sometida esta área.

De igual manera, a pesar de que el modo de fallo tanto en DOWN como en UP proviene de delaminaciones en

el joggle, las mismas se producen de manera muy distinta. En el UP, las delaminaciones son causa de la

combinación de los esfuerzos a los que está sometido el joggle y la existencia de un daño artifical previo. Mientras que en la dirección DOWN, las delaminaciones se producen por el aplastamiento del joggle contra la

placa que simula el ala del larguero frontal.

EFECTO DE LA FATIGA

Obtener conclusiones del efecto de la fatiga sería precipitado por dos motivos. En primer lugar porque el número

de ciclos ejecutados ha sido bajo (inicialmente se estipuló un total de 288000 ciclos, pero por solicitud de el cliente, únicamente se ejecutaron 28800 ciclos, el 10% del total). En segundo término, porque únicamente se ha

realizado un ensayo de fatiga. En general, para estructuras de materiales compuestos, se suelen ensayar 5

muestras si se desea realizar un estudio estadístico de los resultados.

De todos modos, analizando los resultados de la única probeta ensayada, parece que la influencia de la fatiga es prácticamente nula o, al menos, poco relevante.

EFECTO DE LOS DAÑOS ARTIFICIALES E IMPACTOS

Por último, el efecto de la lámina de teflón insertada en el centro del laminado que simula la piel del estabilizador

horizontal es muy importante. Aunque cuando se produce la rotura, la delaminación que provoca el teflón queda

embebebida por la huella de la rotura, todos los inidicios apuntan a que dicha delaminación comieza en la zona del teflón.

Conclusiones

132

En el modo de fallo que encontramos en introducción de carga en dirección UP, esta coclusión, parece

razonablemente probada. Habría más dudas en la dirección DOWN, ya que parece que las delaminaciónes del

joggle aparecen como consecuencia del aplastamiento contra la placa que simula el ala del larguero..

Finalmente, el efecto del impacto es dependiente de la huella de daño que produce en el espécimen y, por lo tanto, del nivel de energía.

Con nivel de energía 35J, la huella de daño no alcanza el joggle y la influencia en el modo de fallo es nula.

Con nivel de energía 90J, la huella de daño alcanza el joggle y es posible que este hecho es el que provocó el fallo prematuro del espécimen 249-T2.

133



REFERENCIAS

[1] Chung, Deborah D.L., «Composite Materials». Ed. Springer, segunda edición – 2010.

[2] http://polmerostermofijos.blogspot.com/2011/08/caracteristicas-materiales-compuestos.html

[3] http://carbosystem.com/fibra-de-carbono-2/

[4] http://www.nauticexpo.es/prod/zoltec/product-39360-298698.html

[5] http://www.nanotubo.com.ar/nota.php?id=15

[6] http://rhinonerd.blogspot.com/2011/02/diseno-con-materiales-compuestos.html

[7] AIRBUS/AERNNOVA, «Skin Leading Edge Joggle» Test Definition, Ref. V55SP0912083, Rev. 2,

2013.

[8] AERNNOVA, «A350 Skin Leading Edge Joggle - Procedimiento de Ensayo de Resistencia Residual» Nota Técnica, Ref. A350-AES-TEAMS-0015, Rev. A, 2014.

[9] INSTRON, «PL-Zylinder» Manual de Referencia, Ref. M31-14201-EN, Rev. C, 2007.

[10] INSTRON, «IST Load Cell» Manual de Referencia, Ref. M31-14112-EN, Rev. A, 2003.

[11] MOOG, «Controller Catalog» Catálogo, Rev. October-2011.

[12] http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/LVDT/lvdt.pdf

[13] http://www.ni.com/tutorial/7138/es/

[14] HBM, «Strain Gauges» Catálogo, 2009.

[15] http://www.monografias.com/trabajos60/inspeccion-ultrasonido-materiales/inspeccion-ultrasonido-

materiales.shtml

http://polmerostermofijos.blogspot.com/2011/08/caracteristicas-materiales-compuestos.html

http://carbosystem.com/fibra-de-carbono-2/

http://www.nauticexpo.es/prod/zoltec/product-39360-298698.html

http://www.nanotubo.com.ar/nota.php?id=15

http://rhinonerd.blogspot.com/2011/02/diseno-con-materiales-compuestos.html

http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/LVDT/lvdt.pdf

http://www.ni.com/tutorial/7138/es/

http://www.monografias.com/trabajos60/inspeccion-ultrasonido-materiales/inspeccion-ultrasonido-materiales.shtml

http://www.monografias.com/trabajos60/inspeccion-ultrasonido-materiales/inspeccion-ultrasonido-materiales.shtml

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