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ANÁLISIS Y DISEÑO DE VOLANTES DE
INERCIA DE MATERIALES
COMPUESTOS
Lluís Ripoll Masferrer
2005

ii

Agradecimientos
Agradezco muy especialmente al Dr. José Luis Pérez que ha sido mucho más que un director de tesis. Por la oportunidad de introducirme en el mundo apasionante de los volantes
de inercia, por los conocimientos que me ha transmitido y por su experiencia y buen
hacer. Sobretodo, por su paciencia, puesta a prueba en las innumerables horas que me
ha dedicado, y la de su familia, que ha soportado con infinita bondad las incomodidades
causadas por nuestro trabajo.
A los compañeros del área de Enginyeria Mecànica de la UdG. Especialmente a Pere
Maimí por la colaboración que ha sido imprescindible para los resultados logrados. La
comprensión y las ayudas continuas deNarcís Gascons, Joan Andreu Mayugo y Norbert
Blanco. Un recuerdo a nuestro amigo Joan Cabarrocas.
También al Dr. Robert Taylor por su ayuda en los casos especiales de simulación por
elementos finitos y al Dr. Eugeni Valencia por sus orientaciones y consejos.

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Índice general

1. INTRODUCCIÓN

1

1.1. Volantes de inercia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .

1

1.1.1. Almacenamiento de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.1.2. Elementos de un acumulador cinético . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.1.3. El rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.1.4. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.2. Estudio sobre el rotor . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.2.1. Actuales direcciones de estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.2.2. Aplicaciones de bajo coste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.2.3. Objetivo de la tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.2.4. Alcance del estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.3.Principios básicos y estructura

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.3.1. Origen de las tensiones

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.3.2. Modelización para sistemas de cálculo

. . . . . . . . . . . . . . .

10

1.3.3. Materiales aplicados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.3.4. Organización . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .

11

2. TENSIONES MECÁNICAS

13

2.1. Bases del análisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1. Origen de las tensiones mecánicas

13

. . . . . . . . . . . . . . . . .

13

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.1.3. Esquema de resolución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

162.2. Fuerza centrífuga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.1.2. Elemento circular

v

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ÍNDICE GENERAL
2.2.1. Ecuaciones para un rotor con simetría circular

. . . . . . . . . .

17

2.2.2. Propiedades del material para fibras orientadas tangencialmente .

18

2.2.3. Ecuaciones para condiciones de tensión plana . . . . . . . . . . .

192.2.4. Desplazamiento radial en tensión plana

. . . . . . . . . . . . . .

21

2.2.5. Tensiones en condiciones de tensión plana . . . . . . . . . . . . .

24

2.2.6. Punto singular de la solución en tensión plana . . . . . . . . . . .

26

2.2.7. Ejemplo calculado en tensión plana . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

2.2.8. Cálculo en condiciones de deformación plana

. . . .. . . . . . .

31

2.2.9. Ejemplo calculado en deformación plana . . . . . . . . . . . . . .

34

2.2.10. Consideraciones para fibras axiales . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

2.2.11. Ejemplo de fibra axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

2.3. Aceleración angular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

2.3.1. La aceleración...