Ensayos de pull-out/bending sobre uniones...

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS

Ensayos de pull-out/bending sobre uniones aeronáuticas

Ingeniería Aeronáutica

Rafael Cabrera Melgar

07/06/2011

PROYECTO FIN DE CARRERA

2

ÍNDICE

1. Introducción ................................................................................................................................................ 11

1.1. Objeto del proyecto ........................................................................................................................ 11

1.2. Uniones en la industria aeronáutica ........................................................................................ 12

1.2.1. Tipos de uniones .................................................................................................................... 12

1.2.2. Uniones mecánicas ................................................................................................................ 14

1.3. Materiales compuestos en aviones modernos .................................................................... 18

1.3.1. Definición de material compuesto .................................................................................. 18

1.3.2. Materiales compuestos en el avión ................................................................................ 21

1.4. Características y usos del Kevlar ............................................................................................... 22

2. El ensayo de pull-out/bending ............................................................................................................ 25

3. Campaña de ensayos en uniones aluminio/kevlar ..................................................................... 29

3.1. Características de la campaña .................................................................................................... 29

3.2. Uniones aluminio – kevlar en la belly fairing .................................................................. 29

3.3. Probetas............................................................................................................................................... 30

3.3.1. Geometría y composición ................................................................................................... 30

3.3.2. Acondicionamiento ............................................................................................................... 32

3.4. Cargas y condiciones de contorno ............................................................................................ 40

3.5. Equipamiento y utillaje ................................................................................................................. 41

3.5.1. Maquina de ensayos empleada ........................................................................................ 41

3.5.2. Utillaje......................................................................................................................................... 42

3.5.3. Equipamiento adicional ...................................................................................................... 54

3.6. Instrumentación............................................................................................................................... 55

3.6.1. Medida de deformaciones. Extensometría .................................................................. 55

3.6.2. Medida de desplazamientos. Captadores lineales .................................................... 58

3.6.3. Medida de temperatura. Termopares ........................................................................... 60

3.7. Inspecciones no destructivas...................................................................................................... 61

3.8. Realización de los ensayos ........................................................................................................... 63

3.8.1. Puesta a punto ......................................................................................................................... 63

3.8.2. Resumen .................................................................................................................................... 64

4. Resultados .................................................................................................................................................... 66

4.1. Serie 1 ................................................................................................................................................... 66

4.1.1. Tabla resumen......................................................................................................................... 66

4.1.2. POB 1.1 ....................................................................................................................................... 66

3

4.1.3. POB 1.2 ....................................................................................................................................... 73

4.1.4. POB 1.3 ....................................................................................................................................... 77

4.1.5. POB 1.4 ....................................................................................................................................... 83

4.1.6. POB 1.5 ....................................................................................................................................... 89

4.1.7. POB 1.6 ....................................................................................................................................... 91

4.1.8. Resultados conjuntos de la serie 1 ................................................................................. 98

4.2. Serie 2 ................................................................................................................................................ 100

4.2.1. Tabla resumen...................................................................................................................... 100

4.2.2. POB 2.1 .................................................................................................................................... 101

4.2.3. POB 2.2 .................................................................................................................................... 103

4.2.4. POB 2.3 .................................................................................................................................... 109

4.2.5. POB 2.4 .................................................................................................................................... 111

4.2.6. POB 2.5 .................................................................................................................................... 113

4.2.7. POB 2.6 .................................................................................................................................... 115

4.2.8. Resultados conjuntos de la serie 2 .............................................................................. 117

4.3. Serie 3 ................................................................................................................................................ 119

4.3.1. Tabla resumen...................................................................................................................... 119

4.3.2. POB 3.1 .................................................................................................................................... 119

4.3.3. POB 3.2 .................................................................................................................................... 121

4.3.4. POB 3.3 .................................................................................................................................... 123

4.3.5. POB 3.4 .................................................................................................................................... 125

4.3.6. POB 3.5 .................................................................................................................................... 127

4.3.7. POB 3.6 .................................................................................................................................... 129


4.4. Serie 4 ................................................................................................................................................ 133

4.4.1. Tabla resumen...................................................................................................................... 133

4.4.2. POB 4.1 .................................................................................................................................... 134

4.4.3. POB 4.2 .................................................................................................................................... 136

4.4.4. POB 4.3 .................................................................................................................................... 138

4.4.5. POB 4.4 .................................................................................................................................... 140

4.4.6. POB 4.5 .................................................................................................................................... 142

4.4.7. POB 4.6 .................................................................................................................................... 144


4.5. Serie 5 ................................................................................................................................................ 148

4.5.1. Tabla resumen...................................................................................................................... 148

4

4.5.2. POB 5.1 .................................................................................................................................... 148

4.5.3. POB 5.2 .................................................................................................................................... 150

4.5.4. POB 5.3 .................................................................................................................................... 152

4.5.5. POB 5.4 .................................................................................................................................... 154

4.5.6. POB 5.5 .................................................................................................................................... 156

4.5.7. POB 5.6 .................................................................................................................................... 158


5. Análisis de resultados........................................................................................................................... 163

5.1. Influencia del tipo de útil superior ........................................................................................ 163

5.2. Influencia del tipo de unión...................................................................................................... 164

5.3. Influencia de la distancia a borde .......................................................................................... 166

5.4. Influencia de la temperatura ................................................................................................... 168

6. Conclusiones ............................................................................................................................................ 170

Índice de ilustraciones

Ilustración 1: Conjunto soldado .................................................................................................................... 12

Ilustración 2: Componente aeronáutico de material compuesto con rigidizadores

cocurados ............................................................................................................................................................... 13

Ilustración 3: Remache sólido de aluminio .............................................................................................. 14

Ilustración 4: remaches ciegos ...................................................................................................................... 15

Ilustración 5: Remaches roscados ............................................................................................................... 16

Ilustración 6: Instalación de un lockbolt ................................................................................................... 16

Ilustración 7: Tuercas flotantes .................................................................................................................... 17

Ilustración 8: Belly fairing de un avión comercial ................................................................................. 18

Ilustración 9: Diagrama tensión-deformación de las fibras .............................................................. 19

Ilustración 10: Cinta de fibra de carbono ................................................................................................. 20

Ilustración 11: Tejido de fibras de carbono ............................................................................................. 20

Ilustración 12: Distribución de materiales compuestos en el avión.............................................. 22

Ilustración 13: Estructura química del Kevlar ........................................................................................ 22

Ilustración 14: Fibras de Kevlar.................................................................................................................... 23

Ilustración 15: Probeta de pull-out ............................................................................................................. 25

Ilustración 16: Útil necesario para el pull-out ........................................................................................ 26

Ilustración 17: Curva obtenida en el ensayo de pull-out .................................................................... 27

Ilustración 18: Flexión por carga concentrada en el extremo .......................................................... 28

Ilustración 19: Esquema de pull-out/bending........................................................................................ 28

Ilustración 20: Esquema de la estructura de la belly fairing ............................................................ 30

Ilustración 21: Configuración de casquillo (izquierda) y arandela (derecha) .......................... 30

Ilustración 22: dimensiones de las probetas ........................................................................................... 31

Ilustración 23: Componentes de la probetas ........................................................................................... 32

5

Ilustración 24: Cámara climática .................................................................................................................. 33

Ilustración 25: Horno de laboratorio .......................................................................................................... 33

Ilustración 26: Balanza de precisión ........................................................................................................... 34

Ilustración 27: Desecador ............................................................................................................................... 34

Ilustración 28: Travellers de Kevlar ........................................................................................................... 35

Ilustración 29: Evolución del peso en el acondicionamiento ........................................................... 36

Ilustración 30: Acondicionamiento de los travellers ........................................................................... 37

Ilustración 31: Evolución del peso durante el secado ......................................................................... 38

Ilustración 32: Secado del traveller 1 ......................................................................................................... 39

Ilustración 33: Secado del traveller 2 ......................................................................................................... 39

Ilustración 34: Sistema de ejes locales en la probeta .......................................................................... 40

Ilustración 35: Esquema de las cargas y condiciones de contorno ................................................ 40

Ilustración 36: Instron 5866 .......................................................................................................................... 42

Ilustración 37: Probeta instalada momento antes del ensayo ......................................................... 44

Ilustración 38: Utillaje inferior ...................................................................................................................... 45

Ilustración 39: Detalle de las placas de fijación ..................................................................................... 45

Ilustración 40: Mesa deslizante .................................................................................................................... 46

Ilustración 41: Esfuerzos indeseados sobre la probeta ...................................................................... 47

Ilustración 42: Primer utillaje superior ..................................................................................................... 48

Ilustración 43: Fijaciones del útil superior .............................................................................................. 48

Ilustración 44: Giro en el utillaje superior durante el ensayo .......................................................... 49

Ilustración 45: Detalle del montaje ............................................................................................................. 49

Ilustración 46: Fallo indeseado en la probeta ......................................................................................... 50

Ilustración 47: Análisis estático en el remache ...................................................................................... 51

Ilustración 48: Esquema del nuevo utillaje superior ........................................................................... 52

Ilustración 49: Brazo de momentos en función del ángulo ............................................................... 52

Ilustración 50: Nuevo utillaje superior ...................................................................................................... 53

Ilustración 51: Camara climática .................................................................................................................. 55

Ilustración 52: Banda extensométrica unidireccional ......................................................................... 56

Ilustración 53: Extensometría requerida .................................................................................................. 56

Ilustración 54: Instalación de la extensometría ..................................................................................... 57

Ilustración 55: Extensometría adicional (G3) ......................................................................................... 57

Ilustración 56: Captador de desplazamiento instalado ...................................................................... 58

Ilustración 57: Estructura del LVDT ........................................................................................................... 59

Ilustración 58: Funcionamiento del LVDT ............................................................................................... 59

Ilustración 59: Funcionamiento del termopar ....................................................................................... 60

Ilustración 60: Termopares instalados en la probeta .......................................................................... 61

Ilustración 61: Inspección por ultrasonidos ............................................................................................ 62

Ilustración 62: Equipo de inspección por ultrasonidos ...................................................................... 62

Ilustración 63: Requisitos de alineación en la carga ............................................................................ 63

Ilustración 64: POB 1.1 ..................................................................................................................................... 66

Ilustración 65: POB 1.1 hasta 700 N - Carga vs Deformación........................................................... 67

Ilustración 66: POB 1.1 hasta 700N - Carga vs Desplazamiento ..................................................... 68

Ilustración 67: POB 1.1 - Taladro en el Kevlar ........................................................................................ 69

Ilustración 68: POB 1.1 – Casquillo ............................................................................................................. 69

Ilustración 69: POB 1.1 - Remache .............................................................................................................. 70

Ilustración 70: POB 1.1 - Taladro en lámina de aluminio .................................................................. 70

6

Ilustración 71: POB 1.1 hasta rotura - Carga vs Deformación .......................................................... 71

Ilustración 72: POB 1.1 Hasta rotura - Carga vs Desplazamiento ................................................... 72

Ilustración 73: POB 1.1 Tras el fallo (1) .................................................................................................... 72

Ilustración 74: POB 1.1 Tras el fallo (2) .................................................................................................... 73

Ilustración 75: POB 1.2 Hasta rotura .......................................................................................................... 73


Ilustración 77: POB 1.2 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento ................................................... 74

Ilustración 78: POB 1.2 tras el fallo (1) ...................................................................................................... 75

Ilustración 79: POB 1.2 tras el fallo (2) ...................................................................................................... 75

Ilustración 80: POB 1.2 – Taladro en el Kevlar ....................................................................................... 76

Ilustración 81: POB 1.2 - Casquillo .............................................................................................................. 76

Ilustración 82: POB 1.2 - Casquillo .............................................................................................................. 76

Ilustración 83: POB 1.2 - Taladro en el aluminio ................................................................................... 77

Ilustración 84: POB 1.2. - Zona empotrada del aluminio .................................................................... 77

Ilustración 85: POB 1.3 ..................................................................................................................................... 78

Ilustración 86: POB 1.3 hasta 800 N - Carga vs Deformación........................................................... 78

Ilustración 87: POB 1.3 hasta 800 N - Carga vs Desplazamiento .................................................... 79

Ilustración 88: POB 1.3 - taladro en el kevlar ......................................................................................... 79

Ilustración 89: POB 1.3 – Casquillo ............................................................................................................. 80

Ilustración 90: POB 1.3 - Remache .............................................................................................................. 80

Ilustración 91: POB 1.3 - Taladro en la lámina de aluminio .............................................................. 81

Ilustración 92: POB 1.3 - Zona empotrada del aluminio..................................................................... 81


Ilustración 94: POB 1.3 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento ................................................... 82

Ilustración 95: POB 1.3 hasta rotura - Fallo de la probeta (1) ......................................................... 83

Ilustración 96: POB 1.3 hasta rotura - Fallo de la probeta (2) ......................................................... 83

Ilustración 97: POB 1.4 ..................................................................................................................................... 84

Ilustración 98: POB 1.4 hasta 1.45 kN - Carga vs Deformación ....................................................... 85

Ilustración 99: POB 1.4 hasta 1.45 kN - Carga vs Desplazamiento ................................................. 85

Ilustración 100: POB 1.4 hasta rotura: Carga vs Desplazamiento .................................................. 88

Ilustración 101: POB 1.4 hasta rotura: Carga vs Desplazamiento .................................................. 88

Ilustración 102: POB 1.4 - Fallo .................................................................................................................... 89

Ilustración 103: POB 1.5 hasta Rotura - Carga vs Deformación ...................................................... 89

Ilustración 104: POB 1.5 hasta Rotura - Carga vs Desplazamiento ................................................ 90

Ilustración 105: POB 1.5 - Fallo (1) ............................................................................................................. 90

Ilustración 106: POB 1.5 – Fallo .................................................................................................................... 91

Ilustración 107: POB 1.6 hasta 1.5 kN ........................................................................................................ 92

Ilustración 108: POB 1.6 hasta 1.5 kN - Carga vs Deformación ....................................................... 93

Ilustración 109: POB 1.6 hasta 1.5 kN - Carga vs Desplazamiento ................................................. 93

Ilustración 110: POB 1.6 - Taladro en el kevlar...................................................................................... 94

Ilustración 111: POB 1.6 - Casquillo ............................................................................................................ 94

Ilustración 112: POB 1.6 - Remache ............................................................................................................ 95

Ilustración 113: POB 1.6 - Taladro en el aluminio ................................................................................ 95

Ilustración 114: POB 1.6 - Zona empotrada del aluminio .................................................................. 95

Ilustración 115: POB 1.6 hasta rotura - Carga vs Deformación ....................................................... 96

Ilustración 116: POB 1.6 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento ................................................. 97


7


Ilustración 119: POB 1 - Carga vs Deformación (1) .............................................................................. 99

Ilustración 120: POB 1 – Carga vs Deformación (2) .......................................................................... 100

Ilustración 121: POB 2.1 hasta rotura: Carga vs Deformación ..................................................... 101

Ilustración 122: POB 2.1 hasta rotura: carga vs Desplazamiento ................................................ 102

Ilustración 123: POB 2.1 - Fallo ................................................................................................................. 102

Ilustración 124: POB 2.2 ............................................................................................................................... 103

Ilustración 125: POB 2.2 hasta 700N - Carga vs Deformación ...................................................... 104

Ilustración 126: POB 2.2 hasta 700N - Carga vs Desplazamiento ............................................... 104

Ilustración 127: POB 2.2 - Taladro en el Kevlar .................................................................................. 105

Ilustración 128: POB 2.2 - Arandela ......................................................................................................... 105

Ilustración 129: POB 2.2 - Remache ......................................................................................................... 106

Ilustración 130: POB 2.2 - Taladro en el aluminio ............................................................................. 106

Ilustración 131: POB 2.2 - Zona empotrada del aluminio ............................................................... 106

Ilustración 132: POB 2.2 hasta rotura - Carga vs Deformación .................................................... 107

Ilustración 133: POB 2.2 - Carga vs Desplazamiento ........................................................................ 108

Ilustración 134: POB 2.2 - Fallo (1) .......................................................................................................... 108



Ilustración 137: POB 2.3 hasta rotura - Carga vs Desplazamiento .............................................. 110

Ilustración 138: POB 2.3 - Fallo ................................................................................................................. 111




Ilustración 142: POB 2.5 hasta rotura: Carga vs Desplazamiento ............................................... 114







Ilustración 149: POB 2 - Carga vs Deformación (1) ........................................................................... 118






Ilustración 155: POB 3.2 hasta fallo - Carga vs Deformación ........................................................ 122

Ilustración 156: POB 3.2 hasta fallo - Carga vs Desplazamiento .................................................. 122









8




Ilustración 168: POB 3.5 hasta rotura - Carga vs Desplzamiento ................................................ 128












































9


















Ilustración 229: Fallo en unión con arandela (izq.) y casquillo (der.) ....................................... 164

Ilustración 230: Casquillo vs Arandela: Zona de flexión pura ....................................................... 165

Ilustración 231: POB 3.6: Aumento de zona de flexión pura ......................................................... 167

Ilustración 232: Influencia de la reducción de distancia a borde ................................................ 168

Ilustración 233: Influencia de la temperatura de ensayo ............................................................... 169

Índice de tablas

Tabla 1: Propiedades de la fibra de Kevlar............................................................................................... 23

Tabla 2: Configuración de las series de probetas .................................................................................. 32

Tabla 3: Equipamiento utilizado para el acondicionamiento ........................................................... 34

Tabla 4: Comparativa entre útiles superiores ........................................................................................ 54

Tabla 5: Resumen de la campaña de ensayos ......................................................................................... 64

Tabla 6: Resumen de la serie 1 ...................................................................................................................... 66

Tabla 7: Serie POB 1 – Resultados (1) ........................................................................................................ 99

Tabla 8: Serie POB 1 - Resultados (2) ...................................................................................................... 100

Tabla 9: Tabla resumen de la serie 2 ....................................................................................................... 100

Tabla 10: Serie POB 2 - Resultados (1) ................................................................................................... 118


Tabla 12: Tabla resumen de la serie 3 .................................................................................................... 119









10

Tabla 21: Útil inicial vs Útil modificado .................................................................................................. 164

11

1. INTRODUCCIÓN

1.1. OBJETO DEL PROYECTO

El objetivo del proyecto contenido en estas páginas es mostrar en detalle la

campaña de ensayos realizada sobre probetas que representan ciertas uniones

remachadas de los paneles de la belly fairing de los aviones comerciales modernos.

Las probetas están formadas por dos paneles rectangulares de aluminio y

Kevlar, unidas mediante un remache aeronáutico que presenta flotabilidad.

El tipo de ensayo realizado es el denominado Pull-out/bending

(arrancamiento/flexión), teniendo como objetivo encontrar los valores admisibles

de la carga para validar la integridad de la unión.

Las probetas se clasifican en 5 series de 6 probetas cada una, haciendo un

total de 30 probetas. Cada serie tiene una configuración de distancia al borde y tipo

de remache definida lo que hará que, previsiblemente, los resultados varíen de una

a otra serie.

La memoria de éste proyecto se estructura de la siguiente manera:

1. Introducción: Donde se hablará del tipo de uniones usadas en la

industria aeronáutica así como del uso de los materiales compuestos en

la misma, profundizando en las características y usos del Kevlar.

2. El ensayo de pull-out/bending: Donde describiremos en detalle el ensayo

y los objetivos que este persigue, así como las normas asociadas al

mismo que se utilizan en los laboratorios de ensayos.

3. Campaña de ensayos en uniones aluminio/Kevlar: Este apartado es un

caso práctico del anterior. Detallaremos todo el proceso llevado a cabo

en la campaña de ensayos sobre las probetas anteriormente

mencionadas, desde la definición de las exigencias del cliente hasta la

ejecución de los ensayos.

4. Resultados: Aquí mostraremos los resultados obtenidos tras la

realización de la campaña en cada una de las probetas ensayadas.

5. Análisis de resultados: Analizaremos aquí los resultados obtenidos,

comparando entre ellos y analizando la influencia de los distintos

parámetros que intervienen en los ensayos.

12

6. Conclusiones: Finalizaremos la memoria extrayendo las conclusiones del

análisis anterior.

Este proyecto es solo una parte de la campaña completa realizada sobre

estas uniones.

Puesto que los ensayos de pull-out/bending someten a la probeta a cargas

perpendiculares al plano de unión, la campaña completa incluía además ensayos

de cortadura sobre la unión, esto es, solicitaciones perpendiculares a las que aquí

se contemplan.

1.2. UNIONES EN LA INDUSTRIA AERONÁUTICA

1.2.1. TIPOS DE UNIONES

En la industria existen tres tipos de uniones fundamentalmente: Soldadas,

adhesivas y mecánicas

Las uniones soldadas son ampliamente utilizadas en la industria en general.

Consiste, generalmente, en la unión de las piezas a partir de la fusión de la zona de

unión, así como añadiendo material de aporte que al enfriarse se convierte en una

unión fija. Existen asimismo procedimientos en estado sólido que no precisan

fundir el material.

ILUSTRACIÓN 1: CONJUNTO SOLDADO

13

La soldadura se aplica ampliamente en materiales metálicos. Algunos

presentan cierta dificultad para ser soldados, como es el caso del aluminio, muy

utilizado en la construcción de aeronaves.

Asimismo, con el paso de los años, el aluminio en las aeronaves está siendo

paulatinamente sustituido por material compuesto (no soldable), lo que hace que

está unión pierda cada vez más relevancia.

Las uniones adhesivas han sido tradicionalmente poco usadas en la

construcción de aeronaves. Esto se debe a que los adhesivos disponibles no

garantizaban resistencia y durabilidad en uniones de responsabilidad. Es por ello

que se han utilizado en elementos de nula responsabilidad estructural.

ILUSTRACIÓN 2: COMPONENTE AERONÁUTICO DE MATERIAL COMPUESTO CON RIGIDIZADORES COCURADOS

No obstante, con la aparición de los materiales compuestos están

apareciendo nuevos adhesivos, algunos con excelentes propiedades mecánicas.

Esto está haciendo que poco a poco estas uniones estén cobrando relevancia, en

especial por su excelente comportamiento a fatiga.

Las uniones mecánicas han sido y son las más utilizadas en la industria

aeronáutica. Las razones de ello son variadas: Fácil instalación, bajo coste,

excelentes propiedades mecánicas, etc.

14

Por ser el objeto de este proyecto, las uniones mecánicas las trataremos en

profundidad en el siguiente apartado.

1.2.2. UNIONES MECÁNICAS

Se entiende por unión mecánica toda aquella unión que precisa de elementos

auxiliares como pueden ser tornillos, remaches, pasadores, espárragos, etc. Estas

pueden ser desmontables, como la unión atornillada, o permanentes como el

remachado.

En aeronáutica, la unión más extendida es el remachado. Existe una gran

variedad de uniones remachadas según su tipo de instalación, propiedades

mecánicas, etc. A continuación describiremos algunos de estos remaches.

Remache sólido

Los remaches sólidos son aquellos que sufren una deformación en frio de la

caña durante su instalación haciendo uso de herramientas hidráulicas,

neumáticas, eléctricas o manuales. Han sido ampliamente utilizados en la

fabricación de aviones. Hoy día, debido al auge de los materiales

compuestos, esta unión se usa cada vez menos, puesto que la compresión de

la caña durante la instalación puede provocar delaminaciones en el

material.

ILUSTRACIÓN 3: REMACHE SÓLIDO DE ALUMINIO

15

Remache ciego

Estos remaches pueden instalarse completamente desde uno de los lados de

la unión. Usados principalmente en reparaciones, debido a su facilidad en la

instalación. Las propiedades, en general, son peores que en el caso de

remaches sólidos.

ILUSTRACIÓN 4: REMACHES CIEGOS

Remache roscado

Su instalación se realiza mediante un collarín roscado que se parte al

aplicarle un apriete determinado. Así se eliminan los posibles errores de

montaje y la necesidad de utilizar herramientas que controlen el par de

apriete. Permiten conseguir buenas condiciones de estanqueidad y poseen

muy buenas propiedades mecánicas, en especial cuando se someten a

esfuerzos de cortadura.

16

ILUSTRACIÓN 5: REMACHES ROSCADOS

Lockbolts (Remaches con collarín estampado)

Estos remaches poseen un collarín maleable que sufre conformado plástico

al llegar a la tensión de instalación. La caña, asimismo, se rompe cuando se

alcanza esta tensión, quedando el remache totalmente instalado.

ILUSTRACIÓN 6: INSTALACIÓN DE UN LOCKBOLT

Además de las uniones remachadas, son muy usadas en la industria

aeroespacial las uniones atornilladas. De entre estas uniones, nos centraremos en

las uniones flotantes, pues en este proyecto se analiza una unión de esa naturaleza.

Se entiende por unión flotante aquella que presenta cierta holgura entre el

agujero y el tornillo. Esta holgura puede conseguirse de varias formas:

Usar un tornillo o remache de tamaño menor que el agujero donde va

instalado.

17

Usar una tuerca flotante. Este tipo de tuercas se anclan a una de las partes

de la unión, permitiendo un desplazamiento limitado de la otra parte de la

unión roscada.

ILUSTRACIÓN 7: TUERCAS FLOTANTES

En aeronáutica se utilizan las uniones flotantes extensamente. Uno de los

principales motivos es la relajación es las tolerancias de fabricación, debido a la

holgura existente en la unión. Menos tolerancias de fabricación implican menor

coste y menores errores de montaje. Este motivo es especialmente relevante en la

industria aeronáutica europea, por su carácter altamente descentralizado. Las

distintas piezas del avión a menudo la fabrican distintos países y éstas se

ensamblan en un lugar concreto.

Las uniones flotantes, en cambio, presentan pobres propiedades mecánicas

en comparación con los remaches anteriormente mencionados. Esto implica que su

uso deba limitarse a zonas no comprometidas estructuralmente en el avión.

En el caso que nos ocupa, estas uniones se aplican a la belly fairing del

avión. Esta zona se encuentra estructuralmente poco comprometida, pues el

principal cometido es revestir el esqueleto del fuselaje en la zona inferior. Las

cargas a las que está sometida serán el peso propio y la solicitación aerodinámica,

cargas muy reducidas en comparación con otras zonas del avión.

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ILUSTRACIÓN 8: BELLY FAIRING DE UN AVIÓN COMERCIAL

1.3. MATERIALES COMPUESTOS EN AVIONES MODERNOS

1.3.1. DEFINICIÓN DE MATERIAL COMPUESTO

Se entiende por material compuesto todo aquel que está constituido por dos

o más subcomponentes. Esto implica la existencia de infinidad de materiales

compuestos cuyas características varían enormemente según sean los

componentes que forman dicho material.

En el ámbito aeronáutico, los materiales compuestos que se utilizan son los

denominados FRP (Fiber reinforced plastics). Estos consisten, básicamente, en una

matriz polimérica reforzada con fibras de carbono, aramida o vidrio.

19

ILUSTRACIÓN 9: DIAGRAMA TENSIÓN-DEFORMACIÓN DE LAS FIBRAS

Las fibras por si solas presentan una elevada resistencia específica (por

unidad de peso) en comparación con aleaciones como el acero, como se aprecia en

el gráfico. Esto hace que, en combinación con la matriz, el material resultante

presenta en muchos casos mejores propiedades que los materiales metálicos

tradicionalmente usados.

Las fibras se presentan en tejidos (entrelazadas) o en cintas alineadas en la

misma dirección. Estas pueden venir pre impregnadas de la matriz (resina). La

fabricación se realizaría entonces apilando capas sobre un molde para conferirles

la forma deseada. Seguidamente se introduce el apilado en un autoclave a

determinadas condiciones de temperatura y presión para curar la resina. Como es

de esperar, la orientación de unas capas respecto a otras influirá notablemente en

las características mecánicas de la pieza.

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ILUSTRACIÓN 10: CINTA DE FIBRA DE CARBONO

La combinación fibra-matriz presenta en muchos casos un excelente

comportamiento mecánico, en términos de resistencia/densidad, superior a

materiales metálicos aeronáuticos. Esto ha motivado a los constructores de

aviones a investigar y desarrollar estos materiales para utilizarlos en ciertas

partes del avión, a fin de reducir el peso del mismo sin comprometer la integridad

estructural. Una reducción en el peso del avión conlleva grandes ventajas, como el

menor consumo de combustible del mismo.

ILUSTRACIÓN 11: TEJIDO DE FIBRAS DE CARBONO

No obstante, los materiales compuestos presentan algunas desventajas:

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- Una de las más notables es la pérdida de isotropía que poseen los

metales, ya que dificulta el cálculo de la pieza. Si bien el carácter

ortótropo puede ser deseable en multitud de ocasiones.

- Los costes de fabricación son elevados debido a que en ocasiones resulta

imposible la automatización los procesos de fabricación.

1.3.2. MATERIALES COMPUESTOS EN EL AVIÓN

Como se ha comentado anteriormente, los materiales compuestos poseen

propiedades específicas en muchos casos superiores a las aleaciones de aluminio,

usadas clásicamente en la industria aeronáutica, lo que los hace candidatos para su

uso en los aviones. Si bien los costes de producción siguen siendo un hándicap

importante.

A lo largo de los años, en aviones comerciales, los materiales compuestos

han ido ganando terreno cada vez más al metal, aunque han seguido siendo éstos

últimos el material predominante.

No obstante, los nuevos diseños de las principales compañías 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 de los procesos de fabricación.

Los materiales compuestos utilizados en el avión son básicamente tres:

- La fibra de carbono: El de mayor uso. Se utiliza en zonas de alta

responsabilidad como pueden ser alerones, flaps, góndolas del motor

etc.

- La fibra de vidrio reformada: Utilizada en zonas de menor

responsabilidad, como pueden ser los suelos de la cabina.

- Aramidas: Entre la que se encuentra el Kevlar, usadas en determinadas

zonas donde las cargas no son especialmente importantes.

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ILUSTRACIÓN 12: DISTRIBUCIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS EN EL AVIÓN

1.4. CARACTERÍSTICAS Y USOS DEL KEVLAR

El Kevlar es una poliamida sintética que contiene grupos aromáticos

(Aramida). Fue sintetizada en 1965 por primera vez. Su nombre químico es

Poliparafenileno tereftalamida.

ILUSTRACIÓN 13: ESTRUCTURA QUÍMICA DEL KEVLAR

Las fibras de Kevlar están dotadas de una elevada resistencia. Esto es

debido a la interacción entre los grupos aromáticos y la formación de puentes de

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hidrógeno ente los grupos amida. La fibra en sí, a igualdad de peso, es cinco veces

más resistente que el acero y mucho más tenaz.

ILUSTRACIÓN 14: FIBRAS DE KEVLAR

Como en el caso del carbono, las fibras se embeben en una matriz de resina

para formar el material compuesto final.

Las principales características del Kevlar son las siguientes:

Elevada Resistencia. Esto dificulta su mecanización Elevada Rigidez Baja dilatación térmica Baja conductividad eléctrica Resistencia a agentes químicos

Existen distintas fibras de Kevlar, si bien todas poseen propiedades similares

que pueden resumirse en la siguiente tabla:

Módulo de elasticidad 60-130 Gpa Resistencia a la tracción 2700 Mpa

Alargamiento hasta rotura 2-4 Densidad 1,4-1,6

TABLA 1: PROPIEDADES DE LA FIBRA DE KEVLAR

Fuera de la industria aeroespacial, el Kevlar se utiliza en la fabricación de

cascos, chalecos antibala, ropa de protección, etc. También es ampliamente usado

en deporte de competición, como automovilismo o vela.

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En la industria aeroespacial, suele utilizarse en zonas de responsabilidad

estructural moderada. Esto incluye, por ejemplo, el perímetro de protección de los

motores, que tienen que poder resistir el impacto de piezas internas en caso de

rotura de las mismas. También se utiliza en la belly fairing de los aviones

modernos, como se ha comentado anteriormente.

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