Fabricación avanzada de compuestos:conceptos básicos de flexión de vigas

Antes de llegar a los materiales y configuraciones que determinan la resistencia de una pieza producida con ATL / AFP y composites, es importante comprender la física y la teoría detrás de diferentes aspectos que afectan su fortaleza. En esta sección, cubrimos 3 conceptos que sientan las bases para partes sólidas de ATL / AFP.

Conceptos básicos de flexión de vigas

Las piezas ATL / AFP rara vez son 100% de fibra de carbono, ya que es beneficioso para el ahorro de costes y materiales reforzar solo las secciones que experimentan más fuerza. Esta es la razón por la que la mayoría de las piezas compuestas se construyen más como sándwiches, siendo las secciones más externas el material compuesto y la estructura interna el núcleo.

El propósito principal del núcleo es aumentar la pieza al grosor deseado, sin construirla con costosa fibra de carbono. Entonces, ¿el grosor de la carcasa o la densidad del núcleo contribuyen más a la resistencia de la pieza? La respuesta proviene de la teoría simple de flexión de vigas.

La conclusión clave de la teoría de la flexión de la viga es que las superficies superior e inferior de una viga experimentan la mayor fuerza cuando se dobla, y podemos optimizar la resistencia de una viga para su peso agregando solo material en estos extremos, y utilizando la menor cantidad de material posible.

Digamos que tenemos una viga simple, como un puente, apoyada en ambos lados, y el peso está centrado entre los soportes de los extremos, como se muestra en el siguiente diagrama.

Imagen 1:Caso de carga básico de una viga apoyada en dos puntos, con un peso en el centro

Podemos abstraer este modelo a los 3 puntos de contacto que experimenta la viga:uno para el peso y dos para los soportes. Esto forma un triángulo, así, donde los puntos de contacto se convierten en vértices.

Imagen 2:Simplificar los puntos de contacto crea un triángulo donde se aplicará la fuerza

Cuando el peso aplica una fuerza a esta viga, imagina las fuerzas distribuyéndose junto con esta estructura triangular. Los dos segmentos en ángulo se comprimen y el segmento horizontal se carga en tensión.

Imagen 3:Las fuerzas se distribuyen a lo largo del triángulo

Las fuerzas se distribuyen a lo largo del triángulo. La magnitud de la fuerza horizontal depende en última instancia del grosor de la viga. A medida que la viga se vuelve más gruesa mientras la carga permanece constante, los ángulos de la base del triángulo aumentan, reduciendo la fuerza horizontal resultante sobre la viga. Cuando aumentamos la viga, así, podemos ver que el ángulo de fuerza aplicado en los soportes se vuelve más vertical:

Imagen 4:A medida que la viga se vuelve más gruesa, el triángulo se vuelve más alto. Por lo tanto, la distribución de la fuerza cambia

A medida que estos ángulos aumentan, la fuerza de tracción resultante disminuye. Esto significa que una viga más gruesa podrá resistir la fuerza de tracción de flexión del peso mucho más fácilmente que una viga más delgada. Es de sentido común que una viga más gruesa pueda soportar más peso que una más delgada, y esta teoría explica por qué.

Un aspecto relacionado con la teoría de flexión de vigas describe que las cargas más grandes en una viga doblada se aplican en sus extremos. Una fuerza de flexión aplicada a una viga se resuelve en fuerzas de tracción y compresión a cada lado de lo que se llama el "eje neutral", el plano de una viga en el que no se experimenta ninguna carga.

En este caso, el material debajo del eje neutro se carga en tensión y por encima del eje neutro se carga en compresión.

Imagen 5:Cuanto más lejos del eje neutral, mayor es la fuerza resultante

Esta información sugiere que si se optimiza una viga por su fuerza y ​​peso, el material tiene el mayor impacto en las superficies superior e inferior de la pieza, mientras que el medio soporta fuerzas de cizallamiento relativamente pequeñas.

Especialmente en ATL / AFP, las cargas de tracción son más importantes y más fáciles de optimizar que las cargas de compresión, porque cada capa de fibra se comporta como una hebra (más sobre esto más adelante).

Esto explica por qué los tubos circulares y de caja, las vigas en I y las vigas en T son tan comunes en la construcción; ahorran peso añadiendo solo material donde se experimentan las tensiones más altas. Un tubo circular puede soportar cargas desde todos los lados, porque no importa desde dónde se aplique la fuerza, hay dos "superficies" en los extremos.

Una caja puede manejar cargas desde cuatro lados porque cualquier lado desde el que se aplica la carga tiene un lado opuesto listo para experimentar tensión. Sin embargo, una viga en I solo es capaz de manejar una fuerza extrema desde dos lados y, de manera similar, una viga en T solo es eficiente cuando experimenta carga desde un lado.

Imagen 6:Diferentes secciones transversales de vigas estructurales

Los diferentes tipos de vigas cortan material en diferentes áreas en función de cómo esperan que se carguen. Por tanto, cuando piense en las piezas al doblar, recuerde estas dos cosas:

• Un haz más grueso es más fuerte que un haz más delgado

• Una viga en flexión experimenta las cargas más altas en sus caras

Ahora que hemos discutido los conceptos básicos de la flexión de vigas, esta teoría puede llevarse más lejos diseñando componentes críticos, como alas de aviones, mástiles de barcos e incluso chasis de automóviles. Una vez que se establece un dominio firme, las posibilidades de los compuestos son casi infinitas.

Acerca de Addcomposites

Agregar compuestos es el proveedor del sistema Automated Fiber Placement (AFP). El sistema AFP se puede alquilar mensualmente para trabajar con termoestables, termoplásticos, colocación de fibra seca o en combinación con impresoras 3D.