Diseño de estructuras tipo cáscara basadas en materiales compuestos laminares, utilizando el métodod de elementos finitos

Abstract

La presente tesis aborda el problema que supone el análisis de piezas complejas hechas de materiales compuestos y está articulada en desarrollos teóricos y prácticos. Los capítulos 1, 2 y 3 presentan el marco teórico previo que define y permite entender la mecánica de los compuestos. Dentro de la mecánica de los compuestos se parte de la unidad fundamental que es la lámina y se converge al laminado. La mecánica de un laminado se basa en dos teorías básicas: la teoría de Kirchhoff y la teoría de placas de Mindlin - Reissner. Puesto que la teoría presentada no permite analizar más que geometrías simples, se hace necesario acudir al método de los elementos finitos. En el capítulo 4 se revisa la teoría de elementos finitos basada en el principio de energía potencial mínima y su aplicación a compuestos, que permite determinar la matriz de rigidez del elemento finito, y se plantea un problema sencillo para entender el concepto de ensamblaje de varios elementos. Las complejidades verificadas aquí permiten concluir que la manera práctica de analizar una estructura hecha con compuestos es por medio de una herramienta computacional adecuada. Dado que es importante determinar los niveles de esfuerzos que puede soportar un elemento estructural sin perder su funcionalidad, en el capítulo 5 se estudia las teorías de falla. Los capítulos 6 y 7 ilustran la solución de un problema estructural mediante Ansys, para lo cual se escogió un chasis monocasco proveniente de una competición universitaria que es la fórmula SAE. Para ello se diseña las superficies del mencionado chasis y, utilizando las hipótesis de carga típicas para estos prototipos, se determinan desplazamientos y esfuerzos y se evalúan los criterios de falla para cada una de las hipótesis. Los resultados obtenidos dan la certeza de que Ansys se puede utilizar con confianza para resolver una amplia gama de problemas que involucren materiales compuestos.