Aplicación de Carga

Dependiendo de las condiciones que se deseen reproducir en un ensayo, existen tres formas de aplicar la carga a la estructura de prueba, estas son: mediante un sistema de carga hidráulico, con un sistema neumático o empleando un sistema mixto.

Sistema de Carga Hidráulico

El sistema de carga hidráulico se trata de un actuador que transforma la energía hidráulica en energía mecánica, y su función es aplicar la carga deseada a la estructura de prueba.

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En la Universidad de Brno, República Checa, en el año 2000 se realizó una prueba de resistencia de la semiala, construida en material compuesto, del avión UFM-10 Samba [19]. Se tenía como propósito cumplir con los requerimientos de aeronavegabilidad por medio del ensayo de la semiala para dos casos de carga: 1) efecto de ráfaga de 15m/s, a una velocidad de la aeronave Vc=192.5 Km/h, donde el máximo factor de carga de 4.67 es alcanzado y 2) una combinación de fuerza cortante y momento flector correspondientes a una carga provocada por ráfaga negativa (mismos valores del caso anterior) donde un factor de carga máximo de -2.67 es inducido en el ala.

Mientras se encuentra en servicio, el ala de esta aeronave está sometida a una carga continua a lo largo de la envergadura y a una fuerza concentrada en la costilla de raíz, producida por el larguero opuesto del ala, el cual se encuentra fijo a esta costilla. La fuerza concentrada en la costilla de raíz fue producida por un cable conectado directamente al sistema de distribución de carga, el cual consistió en un sistema de palancas conectado a una celda de carga y ésta a su vez a un actuador hidráulico, encargado de generar la carga total sobre la estructura de prueba (ver Figura 1.10). Los dos casos de carga considerados para el ensayo se llevaron a cabo con el mismo sistema de distribución de carga.

Figura 1.10. Semiala del avión UFM-10 Samba soportando carga límite. Carga aplicada por actuador hidráulico [19].

Como parte del proceso de adaptación del marco de carga denominado BESTER-AERO15 [17], en la etapa de diseño de detalle se decidió la implementación de un cilindro hidráulico con dos entradas/salidas de potencia en los extremos (Figura 1.11), con el fin de que el actuador pudiera operar con doble acción, esto pensando que en un futuro se tenga la posibilidad de automatizar sus funciones y con el fin de poder utilizarlo en otras aplicaciones dentro del mismo laboratorio de ensaye de materiales. Las principales características del cilindro son: una carrera relativamente grande, de _{al ededo de los ≈} pulg), diámetro _{de ≈ pulg} una presión máxima

15

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de operación de 207bar (3000 psi). El actuador fue fabricado bajo especificaciones por una empresa mexicana especializada en fabricación de componentes hidráulicos.

a)

b)

Figura 1.11. Dispositivo de aplicación de carga del BESTER-Aero. a) Esquema del dispositivo de aplicación de carga b) actuador montado en el marco [17].

Para el ensayo del 777 [8] se analizaron las cargas de prueba generadas en el componente para cada condición de carga estática con el fin de cumplir con los valores requeridos de momento, cortante y torsión. Estas cargas de prueba fueron aplicadas al estabilizador usando varios actuadores hidráulicos conectados a aditamentos de acoplamiento, montados sobre la estructura del estabilizador (ver Figura 1.12). El estabilizador se montó en el dispositivo de ensayo en las uniones del punto de giro, como sería en una aeronave.

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Figura 1.13. Secuencia del ensayo del estabilizador horizontal del 777 [8].

La estructura de prueba se instrumentó con galgas extensométricas, indicadores de deflexión electrónicos (EDI, por sus siglas en inglés), y celdas de carga calibradas en cada estación con el fin de monitorear las respuestas estructurales y proveer información para correlación con predicciones analíticas. El ensayo se realizó en el exterior bajo condiciones de intemperie e incluyó tres condiciones de carga estática crítica: flexión positiva, negativa y asimétrica. La Figura 1.13 muestra la secuencia de carga. Ensayos adicionales a los requeridos para la certificación incluyeron fatiga, carga última, y ensayo hasta la destrucción. El estabilizador horizontal fue sujeto al espectro de carga de fatiga equivalente a 120,000 vuelos, con el fin de satisfacer los objetivos del programa.

Sistema de Carga Neumático

El sistema neumático es un dispositivo que transforma la energía neumática en mecánica y también tiene como función aplicar cargas a la estructura de pruebas. Se diferencia del sistema hidráulico en que no afecta significativamente las características dinámicas de la estructura de prueba.

Entre 2000 y 2005 se llevó a cabo el EFER de la parte anterior del empenaje del avión F18/A [2]. Para este ensayo se utilizó un sistema neumático de carga (ver Figura 1.14) para aplicar el equivalente a las fuerzas aerodinámicas distribuidas y las inerciales inducidas por maniobra. Las cargas inerciales dinámicas inducidas por la oscilación irregular de la estructura (bataneo) se aplicaron usando un sistema de control de vibración multicanal y vibradores electromagnéticos de alta potencia y desplazamiento.

Página | 25 Figura 1.14. Detalle de bolsas de aire y vibradores

electromagnéticos colocados en el estabilizador horizontal [2].

Sistema de Carga Mixto

Un sistema de carga mixto es una combinación del sistema hidráulico y del neumático que se emplea cuando se desean conocer características muy específicas de la estructura de prueba. Este sistema se ha empleado principalmente en ensayos realizados a aeronaves de combate para conocer las cargas por maniobra en el estabilizador horizontal, por ejemplo.

Para el ensayo de A320 [7], las estructuras de prueba se instalaron en un arreglo que consistió en sistemas de sujeción, varios marcos de carga, sistemas de introducción y distribución de carga (sistemas de palancas), plataformas de inspección, los sistemas de carga hidráulico y neumático, así como los sistemas de control y adquisición de datos (ver Figura 1.15). Se instalaron actuadores duales servo-hidráulicos, 61 para el ala y 33 en el fuselaje, con el fin de simular las fuerzas de inercia y aerodinámicas de la estructura. Las cargas se aplican por medio de sistemas de palancas, accesorios remachados a la estructura, almohadillas pegadas sobre las semialas o por medio de estructuras de simuladas, las cuales asemejan de forma simple la estructura original y en la mayoría de los casos se utilizan para poder sujetar adecuadamente la estructura de prueba o para introducir la carga a la misma.

Se utilizaron andamios como plataformas de inspección, las cuales proveyeron acceso a todas las partes de la estructura de prueba y sus sistemas durante la inspección, trabajos de mantenimiento y reparación. Las ventajas de usar andamios en vez de una plataforma de inspección son:

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-Mínimo esfuerzo y costo durante la planeación (sólo los niveles de inspección necesitan ser definidos).

-Adaptación de plataforma altamente flexible a los requerimientos actuales durante la fas e de instalación.

-Rápido desarmado y reinstalación para obtener acceso en trabajos de reparación sobre la estructura de pruebas.

-Reutilización para proyectos futuros.

Figura 1.15. Vista isométrica del arreglo para el ensayo del A320 [7].