Análisis y modelización del golpe hidrodinámico en tanques integrados de combustible realizados en material compuesto

Actualmente, en la industria aeronáutica, uno de los principales análisis que se realizan durante la fase de diseño de una estructura de material compuesto es el estudio de la vulnerabilidad frente a impactos a alta velocidad. Particularmente, en el diseño de los tanques de combustible del ala de un avión se deben tener en cuenta los efectos del golpe hidrodinámico; este problema ha sido identificado como uno de los factores más importantes en la vulnerabilidad de una aeronave. El golpe hidrodinámico ocurre cuando un objeto altamente energético penetra a alta velocidad en una estructura con fluido en su interior transfiriendo parte de su energía cinética a través del fluido a la estructura. En la presente tesis doctoral se ha analizado el comportamiento de un tanque de material compuesto con fluido en su interior sometido a impactos de alta velocidad. Para ello se ha usado tanto una metodología experimental como numérica. En ambos casos se ha analizado la influencia de dos parámetros: la velocidad de impacto del proyectil y el porcentaje de llenado del tanque de material compuesto. Para la realización de los ensayos experimentales se ha usado un dispositivo neumático que acelera el proyectil a gran velocidad contra el tanque de combustible; el proceso de impacto se ha grabado mediante una cámara de alta velocidad, registrándose también tanto las deformaciones del tubo de material compuesto como las presiones en el interior del fluido. Los ensayos experimentales han servido para comprender los principales mecanismos que gobiernan el comportamiento del tanque de combustible frente al golpe hidrodinámico. Se ha observado que los mecanismos de fallo que aparecen en la estructura varían sensiblemente en función de los parámetros estudiados; es de destacar la importancia del porcentaje de llenado, parámetro que no había sido estudiado en profundidad para este tipo de tanques de combustible. En esta tesis, además, se ha desarrollado una metodología numérica para modelizar el fenómeno del golpe hidrodinámico. Esta metodología ha sido validada mediante los ensayos experimentales antes mencionados. Las simulaciones numéricas han sido realizadas empleando el código comercial de elementos nitos LS-DYNA v. R7. Para modelizar la interacción fluido estructura se han usado dos técnicas diferentes: la técnica Multimaterial Lagrangiana Euleriana Arbitraria (MM-ALE en sus siglas en inglés) y la técnica Smooth Particle Hydrodynamics (SPH). Para reproducir el comportamiento del material compuesto del que está hecho el tanque de combustible se ha usado un modelo que tiene en cuenta tanto el fallo intralaminar, implementado mediante una subrutina de usuario, como el fallo interlaminar, modelizado usando una interacción cohesiva. Atendiendo a la validación realizada, se ha comprobado que los modelos numéricos desarrollados muestran una adecuada correlación con respecto a la respuesta del tubo de material compuesto sometido al golpe hidrodinámico observada en los ensayos experimentales. Tanto el modelo que usa la técnica MM-ALE como el que emplea la técnica SPH son capaces de reproducir la transferencia de energía entre proyectil, fluido y estructura. En cuanto al modelo de material compuesto implementado, éste predice adecuadamente los fallos que se generan en el tanque para los distintos casos analizados.Nowadays, in the aeronautical industry, vulnerability against high-velocity impact loads has become one of the principal analyses performed for the design of composite structures. Particularly, in a wing fuel tank design, Hydrodymamic Ram (HRAM) effects have to be taken into account, because it has been identified as one of the important factors in aircraft vulnerability. Hydrodynamic Ram (HRAM) occurs when a high-energy object penetrates a fluid-filled container, transferring its momentum and kinetic energy through the fluid to the surrounding structure. In the present PhD Thesis it has been analyzed the behavior of a fluid filled composite fuel tank subjected to a high velocity impact. For this purpose, it has been used both an experimental and a numerical methodology. In both cases, it has been analyzed the influence of two parameters: projectile impact velocity and fluid filling level. In order to perform the experimental tests, it has been used a pneumatic launcher that accelerates the projectile to high velocity impacting against the composite fuel tank; the impact process has been recorded using a high-speed camera, registering also the strains in the composite fuel tank and the pressures inside the fluid. Experimental tests have been used to understand the principal mechanisms that govern the composite fuel tank response subjected to HRAM. It has been observed that the main failure mechanisms that appears in the structure vary noticeably as a function of the parameters analyzed, in particular the influence of fluid filled level; parameter that it has not been studied in depth previously for this type of fuel tank. In this PhD thesis, it has been also developed a numerical methodology for modelling the HRAM phenomenon. This methodology has been validated using the experimental tests. Numerical simulations have been carried out in the finite element commercial code LS-DYNA v.R7. Two numerical techniques have been used to model the fluid structure interaction, Multimaterial Arbitrary Lagrangian Eulerian (MM-ALE) and Smooth Particle Hydrodynamics (SPH). A material model accounting intralaminar failure, by means of a user subroutine, and the interlaminar failure, using a cohesive interaction has been employed to reproduce the composite material behavior. Considering the validation performed, it has been shown that the numerical models developed have a correct agreement with the experimental composite fuel tank response subjected to HRAM. Therefore, it can be said that both the numerical model that use MM-ALE technique and the model that employ SPH technique, are able to reproduce the energy transfer between projectile, fluid and structure. In addition, composite material model implemented predicts the failures appeared in composite fuel tank for the different studied parameters.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización IndustrialPresidente: Ramón Eulalio Zaera Polo.- Secretario: Ignacio Romero Olleros.- Vocal: David Ángel Cendón Franc