Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Ticomán
3AM2 Mecánica de Solidos Prof. Mario A. Carpinteyro Montelongo
Trabajo de Investigación:
Secciones Transversales Transversales de la Aeronave
Farías Gómez Jorge 01/10/2015
Introducción Dentro de la aviación, se dispone de una alta gama de secciones transversales para el diseño estructural de muchos componentes que forman la estructura interna de cada parte de la aeronave, desde vigas, largueros, larguerillos, etcétera. Esto se debe a que, para cada caso particular, existen ciertos requerimientos a cumplir, especialmente relacionados a los esfuerzos que sufre dicha sección. Para eso los ingenieros tienen que analizar el comportamiento del material a dichos esfuerzos para así desarrollar componentes lo más ideales y eficaces posibles tomando en cuenta otros factores como: el peso, las propiedades mecánicas, físicas y químicas de los materiales, entre otros.
En este trabajo de investigación nos enfocaremos en algunos de los elementos estructurales de una aeronave, precisamente un avión. Lo mejor será seccionar las diferentes partes del avión para estudiar cada una por separado. Pero antes de empezar se mostraran algunas definiciones y conceptos:
Aeronave: toda máquina que puede desplazarse en la atmósfera por reacciones del aire que no sean las reacciones del mismo contra la superficie de la tierra.
Avión: aeronave que propulsado por motor, debe su sustentación en vuelo principalmente a reacciones aerodinámicas ejercidas sobre superficies que permanecen fijas en determinadas condiciones de vuelo
Viga: son los elementos delgados que soportan cargas aplicadas en forma perpendicular a su eje longitudinal; son barras largas, lineales con un área constante en su sección transversal.
Sección transversal: Proyección de una parte de una viga que se ha realizado mediante un corte perpendicular al eje longitudinal del mismo.
Centroide: se refiere al centro geométrico de un area, en estos casos de una sección transversal.
Momento de inercia de área: En ingeniería
estructural,
momento
de
inercia de área, es una propiedad geométrica de la sección transversal de elementos estructurales. Físicamente el segundo momento de inercia está relacionado con las tensiones y deformaciones máximas que aparecen por flexión en un elemento estructural y, por tanto, junto con las propiedades del material determina la resistencia máxima de un elemento estructural bajo flexión.
Esfuerzo (interno): también llamados esfuerzos de sección, son magnitudes físicas con unidades de fuerza sobre área utilizadas en el cálculo de piezas prismáticas como vigas o pilares y también en el cálculo de placas y láminas.
Desarrollo Estructura genérica de un avión Como mencionamos anteriormente, es muchas más sencillo definir primero algunas de las partes del avión para después aventurarnos a sus estructuras internas y componentes. Por lo que burdamente las dividiremos en: Fuselaje (parte central del avión.) Ala (Semi-alas) Etc.
Fuselaje El fuselaje es el cuerpo del avión. La función del fuselaje es la de alojar la tripulación, el pasaje, la carga y gran parte de los sistemas y mecanismos necesarios para controlar el avión. Se considera que el fuselaje es la parte principal del avión porque el resto de los elementos (ala, estabilizadores vertical y/o horizontal, y/o motores) se unen a él, de forma directa o indirecta.
La sección transversal del Fuselaje La forma del fuselaje en general es esbelta por razones de aerodinámica. La sección transversal varía, dependiendo de si se trata de un avión presurizado o no: -Avión presurizado: Forma transversal circular o casi circular, ya que esta forma permite absorber y repartir mejor las cargas de presurización (diferencia de presión entre el exterior y el interior del avión) que producen esfuerzos de tracción en el fuselaje. -Avión no presurizado: Forma transversal arbitraria, no necesariamente circular. En algunos casos llega a ser prácticamente rectangular, con vértices redondeados.
Ejemplos de secciones transversales de fuselajes de distintas aeronaves.
Tipos de Fuselaje Los tipos de fuselaje dependen de varios factores como peso y dimensiones, función (carga o pasaje), altitud de vuelo (presurización) y velocidad de vuelo, etc. Se contemplan tres tipos posibles de construcción: -Construcción reticular. Tipo Warren y tipo Pratt. -Construcción monocasco. -Construcción semi-monocasco. Los componentes estructurales dependen del tipo de construcción de que se trate.
Semi-monocasco En este trabajo nos enfocaremos en la estructura semi-monocasco debido a los componentes estructurales que maneja: - Cuadernas: dan la forma y rigidez transversal del fuselaje. Además, tienen otra función, que es la de repartir las cargas t anto internas (pasajeros y carga) como externas uniformemente. - Largueros: son los miembros longitudinales más importantes, soportando buena parte de las cargas que actúan sobre el fuselaje. Son de aleación de aluminio y se fabrican por extrusión. - Larguerillos: son parecidos a los largueros sólo que más pequeños. También se fabrican por extrusión de aleación de aluminio
- Chapa de revestimiento: está hecha de aleación de aluminio y se remacha a los larguerillos y a las cuadernas.
Secciones transversales de componentes del Fuselaje Para las cuadernas y las costillas, las secciones transcversales tienen ejes inclinados y partes uniformemente variadas debido a su curvatura ya que de ellas depende la forma del fuselaje. Los largueros y larguerillos comparten secciones transversales muy parecidas, todas ellas dependen del tipo de funcion que le demos, explicaremos mejor esto con los siguientes ejemplos:
a)
b)
c)
d)
a) En este tipo de componente se puede observar que su sección transversal es en I y que además cuenta con alivios de peso en forma de círculos perfectos que reducen su masa pero mantienen las propiedades estructurales intactas.
b) En esta sección transversal podemos ver que la viga se forma por varios componentes, unidos con remaches, que le ofrece una distribución de cargas mejor aplicada, estas se pueden encontrar en la sección del fuselaje donde está ubicada el ala. c) Este tipo de componente es probable que sea u n larguero debido a su sección transversal que es más delgada y la combinación de varias otorga una resistencia a los esfuerzos mayor. d) Finalmente encontramos el tipo más común de viga que se puede encontrar, simplemente su sección transversal es en I. Como se puede observar la mayoría de los ejemplos tienen estructura en I esto es principalmente a que es una de las secciones transversales más utilizadas para elementos estructurales debido a que se puede tener menos peso pero con buenas distribuciones de esfuerzos y cargas, haciéndolo un tipo de sección muy ideal.
El conjunto de todos estos componentes estructurales es lo que nos dan forma y funcionamiento para la aeronave, en lo que a resistir las cargas y esfuerzos durante el vuelo se refiere. Nótese que entre mayor arreglo de componentes, suele haber mayor resistencia a los esfuerzos, a este tipo de estructuras se les llama reticular (si contienen elementos diagonales) y compuesta, es la más utilizada debido a su bajo peso y comportamientos muy ideales de los diferentes componentes.
Ala (Semi-alas) El ala es el elemento responsable de producir la sustentación necesaria para el vuelo. Para entender el tipo de sección transversal que se emplea, también hay que conocer conceptos teóricos de cargas y esfuerzos a los que la sometemos ya que, como en todos los casos, estos van a dictar la forma y área de la sección transversal de los componentes estructurales. Sobre el ala actúan las cargas siguientes: a) Fuerzas aerodinámicas. Son debidas al movimiento relativo del aire alrededor del ala, produciéndose diferencias de presión entre la parte superior (extradós) y la parte inferior (intradós) lo que da lugar a una fuerza resultante llamada sustentación. b) Fuerzas másicas o gravitatorias . Son debidas al peso de la propia estructura del ala, al peso del combustible alojado en los depósitos del ala y al peso de los motores, en el caso de que éstos cuelguen del ala. c) Fuerzas propulsivas. Son las fuerzas que produce la planta motriz para propulsar al avión. Del análisis de las cargas que actúan sobre un avión se ve que el ala está sometida a: a) Flexión. La distribución de sustentación a lo largo del ala en vuelo, hace que ésta flexe (su eje se curva) y la parte superior (extradós) se vea sometida a compresión y la parte inferior (intradós) a tracción.
b) Cortadura. Cada sección de ala ve una fuerza vertical que es la resultante de dos fuerzas de sentido opuesto: 1º, la sustentación producida entre dicha sección y el extremo del ala y 2º, el peso del trozo de ala, combustible y motores comprendidos entre aquélla sección y el extremo del ala.
c) Torsión. La torsión es producida por el momento de picado debido a las fuerzas aerodinámicas y al peso de los motores situados por delante del ala (más concretamente, por delante del eje elástico).
Componentes estructurales del Ala Como acabamos de analizar, el ala es sometida a muchos tipos diferentes de esfuerzos y cargas, por lo que cada componente que la constituya necesita un alto nivel de ingeniería y diseño para satisfacer los parámetros de trabajo a los que se va a someter.
Así también es por eso que el ala está compuesta por una buena cantidad de elementos estructurales. Como:
Vigas o Largueros (delanteros o traseros):
Son los miembros estructurales principales del ala. Soportan las cargas de cortadura y absorben la flexión (junto con los larguerillos), y la torsión (junto con el revestimiento metálico). La forma transversal de los largueros es parecida al de una viga en I para conseguir elevada rigidez a flexión. Los extremos superior e inferior del larguero reciben el nombre de cordones.
Larguerillos: Son elementos longitudinales de refuerzo para ayudar a soportar la flexión. Su forma transversal es en Z, U o J. Se disponen en la parte superior e inferior del ala.
Costillas: Juegan el mismo papel que las cuadernas en los fuselajes, es decir, van dispuestas a intervalos regulares, definiendo la forma transversal del ala (perfil aerodinámico), aportando rigidez transversal y repartiendo uniformemente la carga aplicada.
En el dibujo siguiente se indican algunos elementos típicos del ala fabricados según la técnica de las estructuras sándwich. En estos casos el núcleo suele estar fabricado en panal de abeja (Honey-comb).
Conclusiones Hemos visto que cada parte fundamental de la aeronave está sometida a diversos esfuerzos, a su vez cada componente de estas partes cumple una función que en conjunto nos otorga un correcto comportamiento estructural contra el esfuerzo. Debido al análisis de varios factores se puede deducir cuál es el tipo de estructura más ideal para la aeronave. Partiendo de estos postulados, los casos particulares para cada componente estructural se deben analizar finalmente en conjunto y a de talle ya que es la combinación de todos estos elementos lo que hace al final del día todo el trabajo de resistir esfuerzos tanto en vuelo como en tierra. Observamos el fuselaje y ala, para de la teoría partir hacia sus elementos estructurales más básicos. Se puede decir que muchos de ellos entran en la categoría de vigas, y los otros pueden seguir teniendo secciones transversales planeadas para una función específica. Ejemplos como largueros, y larguerillos, que no son más que vigas con áreas más grandes o más pequeñas, nos muestran que las diferentes secciones transversales de un avión varían debido al uso que se les da, ya que según el área este tipo de estructuras relaciona los esfuerzos que se le aplican. En general el tipo de sección transversal en I es de los más comunes debido al gran aprovechamiento de espacio y peso, así como el desempeñar un papel muy correcto al momento de soportar cargas y esfuerzos; como sus derivados y subsecuentes mejoras para el máximo aprovechamiento estructural de los elementos. Sin embargo se sabe de otro tipo de áreas y secciones transversales que desempeñan papeles importantes en las diferentes partes del avión y es el estudio y prueba de cada caso en p articular lo que otorga un panorama más extenso de los límites de las estructuras en relación al uso y comportamiento de los elementos de tipo viga. Finalmente considero que lo que tenemos que adquirir como conocimiento es que el estudio de las secciones transversales es una ciencia al final de cuentas, utiliza los principios de la física, la geometría, la mecánica de sólidos, etc., y es una ardua labor utilizar el método científico y el análisis de diversos factores físicos para determinar el tipo de sección transversal a usar. Todo ingeniero que diseñe este tipo de elementos estructurales tiene que enfrentarse a problemas demasiado complejos que se presentan en la práctica y es por eso fundamental que tenga bien definido primero los conceptos teóricos para poder darle solución ideal a estas complicaciones.
Bibliografía:
Airframe Structural Design, MICHAEL CHUN-YUNG NIU, Lockheed Aeronautical systems Copmany, 1988, Burbank California. https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aircraft/amt_ airframe_handbook/media/ama_ch01.pdf http://projectehermes.upc.edu/Enginyeria_Aeroespacial/2a/Vehicles%20Aer oespacials/Teoria/M%C3%B3dulo%208.2%20%20Estructuras%20aeronauticas.pdf
