DISEÑO AERONAUTICO

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN

“ANÁLISIS DE ESFUERZOS PARA EL DISEÑO
PRELIMINAR DE UN REGISTRO DE INSPECCIÓN EN EL
ALA DE LA AERONAVE STELA-M1 FABRICADA EN
MATERIALES COMPUESTOS”

T
E
S
I
S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO
EN AERONÁUTICA
PRESENTA

ALBERTO EDUARDO MORALES HERNÁNDEZ
DIRECTORES DETESIS

DR. HILARIO HERNÁNDEZ MORENO
M. EN C. ERIK VARGAS ROJAS

MÉXICO D.F.

NOVIEMBRE 2008

ÍNDICE

ÍNDICE
RELACIÓN DE FIGURAS
RELACIÓN DE TABLAS
NOMENCLATURA
RESUMEN
ABSTRACT
INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO SOBRE MATERIALES
COMPUESTOS LAMINADOS Y ESTADO DEL ARTE
1.1
FUNDAMENTOS DE MATERIALES COMPUESTOS
1.2
CONCEPTO DE LAMINADO
1.3
CONVENCIÓN PARA EL CÓDIGO DE LAMINADOS
1.4
RELACIONES ENTREESFUERZO Y DEFORMACIÓN EN
UNA LÁMINA
1.5
ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE LAMINADOS
1.6
FUERZAS Y MOMENTOS RESULTANTES EN LAMINADOS
1.7
ESTADO DEL ARTE SOBRE ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN
PANELES CONSTITUIDOS POR MATERIALES
COMPUESTOS LAMINADOS
1.7.1 Reparación de paneles agrietados usados en aeronaves
mediante la adhesión de parches constituidos de
materiales compuestos
1.7.2 Análisis numérico delcomportamiento de reparaciones
mediante adhesión de parches en estructuras de uso
aeronáutico
1.7.3 Procedimiento para la adhesión o reparación en bordes de
laminados en elementos constituidos de materiales
compuestos en el B-757-200
CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO SOBRE LA DETERMINACIÓN
DE LAS CARGAS SOBRE EL ALA
2.1
FACTOR DE CARGA
2.2
LIMITACIONES ESTRUCTURALES
2.3
DIAGRAMA DE MANIOBRA
2.4
DIAGRAMA BÁSICO DERÁFAGA
2.5
DIAGRAMA COMPUESTO DE MANIOBRA-RÁFAGAS
2.6
CARGAS SOBRE EL ALA DE UNA AERONAVE
2.7
CÁLCULO DE LA DISTRIBUCIÓN DE LA SUSTENTACIÓN
EN UN ALA
2.8
FUNCIÓN DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES
2.9
ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE LA CAJA DE TORSIÓN
2.10 PANELES DE ACCESO EN ALAS

I
VII
VIII
X
XI
XII

1
1
3
6
7
14
19

23

24

27

31

33
33
35
36
38
43
44
46
49
51
59

ÍNDICE

CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA Y DESARROLLODEL PROBLEMA
3.1
DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA AERONAVE DENOMINADA
STELA-M1
3.2
DIAGRAMA DE MANIOBRA
3.3
MODELO GEOMÉTRICO DEL ALA DEL STELA-M1 Y
UBICACIÓN DEL HERRAJE A INSPECCIONAR
3.3.1 Identificación de los elementos que componen la
estructura del ala
3.3.2. Configuración de la unión entre ala y montante
al fuselaje
3.3.3. Configuración de los registros existentes sobre el ala
del Stela-M1
3.4CÁLCULO DE LA DISTRIBUCIÓN DE LA SUSTENTACIÓN
EN LA SEMI-ALA DEL STELA-M1
3.5
CÁLCULO DE LA RESISTENCIA AL AVANCE EN EL PANEL
DE LA SEMI-ALA DEL STELA-M1
3.6
ANÁLISIS DE LA CAJA DE TORSIÓN
3.7
MODELADO DEL PANEL DONDE SE
SITUARÁ EL REGISTRO DE INSPECCIÓN

60

CÁPITULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1
DEFINICIÓN DEL CRITERIO DE FALLA EN ANSYS
4.2
DISTRIBUCIONES DE ESFUERZO Y DEFORMACIÓN
4.3
ESFUERZOS ENCADA CAPA
4.4
DISTRIBUCIÓN DEL FACTOR DE SEGURIDAD POR TSAI-WU

115
115
117
119
124

CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
REFERENCIAS
APÉNDICE

127
128
129
131

60
64
67
67
74
77
80
97
98
101

RELACIÓN DE FIGURAS

RELACIÓN DE FIGURAS
Figura

Título

Figura I.1
Figura I.2

Aeronave Stela-M1.*
Unión del herraje principal que une la pieza
montante hacia el fuselaje.**
Ejemplo de un laminado [3].
Ejemplo de unalámina unidireccional [3].
Ejemplo de láminas tipo tejido [3].
Ejemplo de una lámina tipo colchoneta [3].
Fibras orientadas en tres, cuatro y cinco
direcciones distintas [2].
Sistema de coordenadas de referencia para
una lámina [3].
Componentes de esfuerzo que actúan
sobre un elemento diferencial de un laminado [4].
Sistema de coordenadas l − t definido por el
material [3].
Relaciones entre losesfuerzos y las
deformaciones en una lámina [5].
Sistemas de coordenadas del material y
arbitrario en un lámina [4].
Nomenclatura asignada a una placa para su
análisis [2].
Amplificación que muestra el comportamiento
de una placa al doblez [2].
Vista aumentada de la placa al doblez [2].
Ejemplo de distribución de deformación, rigidez
y esfuerzo de un laminado [2].
Nomenclatura de las fuerzas...