Uso de materiales compuestos en el diseño de un árbol de transmisión

El presente proyecto tiene por objetivo el diseño de un árbol de transmisión tubular utilizando los materiales compuestos, dada su importancia para la aplicación en la industria automovilística como sustituto de los árboles de transmisión convencional. Al sustituir el material convencional como el acero por los materiales compuestos, se consigue hasta un 50% de la reducción del peso del árbol, sin modificar el comportamiento estructural del mismo. Asimismo, la posibilidad que ofrecen los materiales compuestos de seleccionar el número de láminas, la orientación del refuerzo de las mismas, su secuencia de apilamiento, etc., permiten un mejor aprovechamiento estructural del mismo. Para conseguir un diseño factible con máxima reducción del peso, el primer paso es la selección de los posibles materiales compuestos para el diseño del árbol. Una vez seleccionados los materiales, se debe estudiar las cargas que sufre dicho árbol. Para determinar el comportamiento del árbol frente al estado de cargas, se construye un modelo matemático basado en la teoría clásica de laminados. Para obtener un diseño óptimo, que aproveche mejor las propiedades estructurales del material, se ha desarrollado el programa OPTIEJE, mediante el software Matlab. Una vez obtenido el diseño analítico optimizado, se realiza un modelo de elementos finitos del mismo mediante el programa ANSYS. Dicho análisis numérico incluye un análisis estático para determinar el estado tensional y de deformación en dicho elemento mecánico, un análisis modal del mismo para determinar la frecuencia natural y un análisis de pandeo para determinar la resistencia a pandeo del árbol de transmisión. Este análisis por el MEF permite, además, determinar la validez del diseño de la unión adhesiva. El paso final es la comparación de los resultados obtenidos por el diseño analítico y los obtenidos por la simulación por el MEF, así como la determinación del error cometido y la viabilidad del diseño.This document is mandated to design a tubular drive shaft with composite materials, given its importance for the application in the automotive industry as a substitute for traditional metallic drive shaft. Replacing conventional materials like steel by composite materials, a 50% weight reduction is archived without modifying performance of the drive shaft. Furthermore, composite materials offer the possibility of the selection of the number of layers, fiber orientation of each layer and stacking sequence, which allow a better exploitation of structural proprieties of these materials. In order to obtain an optimum design of the drive shaft with maximum weight saving this document begins with a composite material selection. Then the loads should to be defined once the materials are selected. To study the drive shaft’s behavior against the loads a mathematic model based on the classical laminate theory is built. To find out an optimum design that takes maximum advantages of the structural proprieties of the material, a Matlab based algorithm will be used. Once obtained an analytical optimized design, a finite elements analysis will be realized using the software ANSYS. The mentioned analysis contains a static analysis to study the stress and deformation results of the mechanical element; a modal analysis of this element to find out the natural frequency, a buckling analysis to find out the buckling capacity of the drive shaft. Furthermore, the finite elements analysis allows to determine the validity of the adhesive bonding. Finally a comparison of the analytic results and the ANSYS results is necessary to determine the error between both method and the feasibility of the designIngeniería Industria