Virginia Tech avanza en diseño de aviones compuestos con nueva IGA para estructuras piel-larguero con recortes complejos

Las estructuras unitarizadas se están usando para construir aviones más ligeros y respetuosos con el medio ambiente. Tales materiales compuestos avanzados y multicapa ofrecen altas relaciones resistencia-peso y, por tanto, se usan cada vez más en industrias aeroespacial y naval, entre otras.

Sin embargo, cuando se usan en vehículos espaciales hipersónicos, tales estructuras experimentan un aumento significativo de temperatura en poco tiempo, resultante del calentamiento aerodinámico debido a la fricción entre la superficie del vehículo y la atmósfera. Tales fenómenos son más prominentes durante los procesos de reentrada y lanzamiento. Por esta razón, considerar los efectos térmicos es importante en el diseño y análisis de tales estructuras.

Debido a un aumento en los requisitos impuestos a los compuestos laminados, para una plétora de aplicaciones de ingeniería, el uso de placas con recortes de forma arbitraria es inevitable. Pero la respuesta de las estructuras a las cargas puede verse afectada significativamente debido a la presencia de tales recortes. Dado que el estudio de compuestos laminados con recortes es un problema complejo, se usan métodos numéricos extensamente. Ahora, investigadores del Instituto Politécnico y Universidad Estatal de Virginia (Virginia Tech, Blacksburg, Virginia, EE. UU.) han combinado el análisis isogeométrico (IGA) recientemente evolucionado para modelar paneles compuestos rigidizados curvilíneamente con recortes de diversas formas y tamaños.

Según el Dr. Balakrishnan Devarajan, ex estudiante de doctorado con el Grupo de Estructuras Unitarizadas en Virginia Tech, "IGA ofrece mayor precisión y eficiencia y representa la geometría exacta de los rigidizadores en cada nivel de refinamiento de malla. También permite más flexibilidad en el refinamiento cerca de las áreas donde los rigidizadores y la placa compuesta están conectados."

El desarrollo completado por el Dr. Devarajan y su colaborador, el Dr. Rakesh Kapania, introduce una forma novedosa de lograr continuidad de desplazamiento entre los puntos de control del rigidizador y la placa usando una matriz de función de interpolación. El rigidizador curvilíneo fue generado con precisión mediante solo tres puntos de control (Fig. 1). Los investigadores usaron múltiples parches para crear geometrías de recortes complejos, y también formularon una metodología para hacer cumplir condiciones de interfaz que preservaron la continuidad de orden superior a través de múltiples parches. El método desarrollado elimina la necesidad de que los nodos del rigidizador sean coincidentes con los nodos de la placa.

El análisis y comparación con métodos estándar de elementos finitos muestran tasas de convergencia, precisión y eficiencia más altas usando IGA. Este trabajo estará pronto disponible como código open source en GitHub. La investigación ha sido publicada en el artículo de Composite Structures: "Thermal buckling of curvilinearly stiffened laminated composite plates with cutouts using isogeometric analysis".