Determinación mediante modelo de elementos finitos de la velocidad balística en borde de ataque metálico

Abstract

Dado que la comprobación de las propiedades balísticas de estructuras aeronáuticas solo se pueden estudiar mediante ensayos destructivos que son caros y complejos, se pretende desarrollar un método analítico que permita reducir el número de iteraciones de ensayo necesarias para obtener un diseño capaz de soportar los requerimientos de energías de impacto. Se ha realizado una investigación mediante análisis por elementos finitos (usando el software Simulia Abaqus Explicit Solver), de la influencia de los distintos parámetros involucrados en el impacto de diversos proyectiles sobre un borde de ataque de avión fabricado en aluminio. El objetivo es obtener la velocidad de límite balístico y analizar como varía ésta según la influencia de los mencionados parámetros. Para realizar esta investigación, previamente se ha llevado a cabo un proceso de convergencia de malla para analizar la ifluencia de ésta en los resutados finales. En términos generales, cuanto más fina es la malla, más precisos serán los resultados finales, pero esto acarrea un incremento en el tiempo de cómputo. Este puede llegar a ser tan grande que impida la finalización del proceso por falta de recursos del ordenador. Por lo tanto, se pretende encontrar un punto de equilibrio que maximice la precisión manteniendo un tiempo de cómputo razonable. La optimización del mallado se ha realizado en dos pasos sucesivos, primero se ha optimizado el mallado del impactador y a continuación, manteniendo éste fijo, se ha procedido de igual manera con el mallado del borde de ataque. Una vez definido el mallado óptimo, se ha hecho un studio del efecto del self-contact en los elemetos del borde de ataque. El self-contact es un parámetro que impide la interpenetración de unos elementos en otros. Tras realizar simulaciones con y sin interpenetración, la diferencia entre los resultados es despreciable, sin embargo el tiempo de cómputo aumenta considerablemente al utilizar el parámetro de self-contact. Una vez fijados todos los parámetros del modelo de partida, se realiza el estudio de la variación de la velocidad balistica para los cuatro proyectiles escogidos. Los resultados y las tendencias de los mismos se han comparado con la ecuación experimental de Thor. Tras realizar las simulaciones previstas y su análisis, se ha observado que para una misma energía de impacto, la velocidad balística disminuye significativamente cuando se reduce el tamaño del proyectil o éste tiene una forma balística. Así mismo, en el caso de proyectiles romos (como pueden ser un proyectil esférico o cilíndrico) el modo de fallo del borde de ataque se produce más por desgarro del material mientras que en el caso balístico (proyectil cónico) hay una pequeña rotura inicial que se va agrandando a medida que el proyetil penetra en el borde de ataque. Comparando los resultados obtenidos en las simulaciones con los resultados experimentales del proyecto Thor, limitado a placas planas siendo impactadas por la cara plana de un proyectil cúbico, se puede observar que las tendencias de los resultados son similares. El método parece prometedor, sin embargo, para explorar todo su potencial, se debería trabajar con máquinas más potentes que fueran capaces de simular estructuras más complejas y similares a las Reales.