Ensayo de carga de la sección exterior del ala de un planeador con galgas extensométricas

El proyecto de aumento de la envergadura del planeador D-43 de Akaflieg Darmstadt requería, entre otras cosas, fabricar una nueva sección exterior del ala con una estructura compuesta de plástico y fibra. Esta nueva sección exterior debía ser certificada por la autoridad alemana de aviación civil (LBA); para ello, se llevaron a cabo ensayos se carga, con la finalidad de verificar las simulaciones de deformación efectuadas previamente con un modelo de elementos finitos. 

Desafío

Akaflieg Darmstadt debía realizar ensayos de carga de una sección exterior de ala de nueva producción, para obtener la aprobación de la autoridad alemana de aviación civil (LBA).

Solución

Previamente se habían efectuado simulaciones de deformación sobre un modelo de elementos finitos, que debían verificarse. Se utilizaron galgas extensométricas de HBK instaladas en distintos puntos de la sección exterior del ala, para determinar las deformaciones en la superficie de los componentes y validar las curvas de deformación obtenidas en las simulaciones.

Resultado

Los resultados de medida muestran que la simulación mediante un modelo de elementos finitos proporciona resultados muy realistas, con desviaciones mínimas. 

Configuración de medida del ensayo de carga de la sección exterior del ala

Puesto que la envergadura había aumentado de 18 a 20 m, la longitud de las nuevas secciones exteriores se incrementó a su vez hasta 1,5 m. En los ensayos de carga de la estructura —consistente en un material compuesto de plástico y fibra—, la temperatura fue de al menos 54 °C. Se aplicó una carga equivalente al 172,5% de la carga máxima que se produce en condiciones de operación.

Para determinar la deformación en la superficie de los componentes se utilizaron galgas extensométricas serie M de HBK (1-LM16-6/350GE), idóneas para cargas alternas. Las galgas extensométricas se instalaron en diferentes posiciones de la sección exterior del ala, alineadas en la dirección de la fibra presente en las bandas unidireccionales de la viga de material compuesto (fibra-plástico): 

 

  • Saliente del larguero: parte del larguero que sobresale del revestimiento del ala
  • Costilla de raíz: la última costilla, situada en la raíz del ala
  • Revestimiento del ala: se instalaron varias galgas extensométricas siguiendo la línea del larguero

La carga sobre la sección exterior del ala se aplicó mediante una grúa y se distribuyó a través de un aplicador de carga en cuatro puntos en la parte inferior del ala. Los brazos de palanca del aplicador de carga se ajustan de modo que representen de forma realista las curvas del momento de flexión, la fuerza de cizalla y el momento de torsión que se producen durante el vuelo.

La fuerza de la grúa se introduce por la viga superior y se mide empleando una célula de carga miniaturizada U9C (1-U9C/20KN) de HBK. Para fijar la temperatura a 54 °C, la sección del ala se coloca en una cámara térmica de espuma de poliestireno (Styrofoam) con un termoventilador.

Resultados del ensayo de carga

Los resultados del ensayo de carga (esfuerzos y deformaciones) se utilizan para validar una simulación previa de la sección del ala realizada con un modelo de elementos finitos. Durante la simulación se calcularon dos curvas de deformación para la cara superior del ala: carga límite (100% de la carga máxima, gráfico azul) y carga de rotura (172,5% de la carga máxima, gráfico naranja).

A la vista de las curvas de deformación del modelo de elementos finitos se puede observar que la simulación proporciona resultados muy realistas. Las deformaciones determinadas se desvían un máximo del 4%. Los esfuerzos de deformación se desvían un máximo del 5%. La causa de estas desviaciones son las incertidumbres en:

  • los parámetros empleados para los materiales
  • las geometrías simplificadas del modelo de elementos finitos
  • otras condiciones de contorno

Acerca de Akaflieg Darmstadt

Akaflieg Darmstadt construye nuevos tipos de planeadores desde 1920, bajo el lema "Investigar, construir, volar". Akaflieg es la abreviatura de Akademische Fliegergruppe Darmstadt, un grupo de la Universidad Politécnica de Darmstadt que trabaja en la investigación del vuelo sin motor aprovechando las corrientes ascendentes; además, construye planeadores y pone a prueba conceptos innovadores.

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