Perfil aerodinámico

El perfil aerodinámico es el elemento mecánico más sensible de cara a las repercusiones en forma de fuerzas que sufrirá el sistema, ya que de su acabado y geometría depende la inmensa mayoría de la interacción aire-sólido. Cabe destacar que también es una de las piezas con una geometría más compleja, con espesores muy pequeños en las zonas cercanas al borde de salida y grandes curvaturas, sin contar con su gran tamaño (cada una de las dos partes móviles tiene una cuerda de 0,75 metros).

Figura 5.3. Perfil aerodinámico, formado por una parte central fija y dos partes móviles.

Con tal de minimizar el peso del conjunto de todos los elementos mecánicos de grandes dimensiones se han decidido diseñar vaciados en su interior, es decir, conformados por una “lámina” exterior de un grosor determinado cerrada, pero sin un núcleo sólido. Esta decisión se ha tomado en base a que la rigidez de este elemento se debe principalmente a su módulo de inercia, por lo que la aportación de la masa situada en la zona nuclear es mucho menor que la de la masa situada en las zonas exteriores; la resistencia del elemento, dada por su sección transversal, se analizará posteriormente por métodos de elementos finitos para comprobar que el grosor escogido es suficiente para soportar los esfuerzos a los que se verá expuesto este elemento.

Esta decisión en favor de la ligereza del conjunto descarta de la preselección de materiales anterior al grupo de maderas, ya que resultaría imposible realizar un vaciado del interior de un bloque de este material. Por ello, la primera opción en cuanto a familia de materiales disponible se reduce a materiales compuestos multicapa, que comprende principalmente CFRP (carbon fiber reinforced polymer, polímero reforzado con fibra de carbono o comúnmente simplificado a fibra de carbono) y KFRP (kevlar fiber reinforced polymer¸ polímero reforzado con fibra de Kevlar). Este tipo de materiales está compuesto de una matriz polimérica (comúnmente resina de epoxi) en la que se añaden fibras alineadas cuasi-unidimensionales con el objetivo de reforzar su estructura. La composición de estas fibras aporta un gran aumento de la resistencia a tracción en la dirección de las fibras, por lo que el comportamiento del material se vuelve altamente anisotrópico y, por tanto, dependiente de la dirección de aplicación de cargas externas. Sin embargo, el tamaño minúsculo de estas fibras, el hecho de contener resina polimérica y el peculiar proceso de obtención da lugar a láminas de compuesto extremadamente finas. Estas láminas (anteriormente referidas como compuestos de capa única) pueden disponerse una sobre otra para obtener (mediante la unión de la resina o bien mediante el entramado de las distintas capas) un material multicapa con unas características intrínsecas muy peculiares.

Figura 5.4. Entramado habitual en láminas multicapa, con fibras en direcciones 0º y 90º.

Las diferentes capas que conforman una lámina de material compuesto se pueden orientar en distintas direcciones (tomando como dirección de referencia de cada capa la dirección de las fibras que la componen), consiguiendo así disminuir el comportamiento anisotrópico propio de estas al compensarse unas capas con otras y obteniendo una lámina final con un buen desempeño mecánico en todas direcciones. Este proceso se puede replicar utilizando láminas en vez de capas, obteniendo así una lámina final del grosor que se desee con unas características mecánicas muy personalizables mediante la elección del grosor de capa, dirección de estas y número de capas aplicadas.

Las láminas resultado de este proceso son flexibles y tienen una apariencia textil, por lo que se pueden adaptar perfectamente a geometrías complejas. Se comercializan en distintos formatos, siendo el más de común de estos el prepreg, denominación proveniente del término anglosajón pre-impregnated. Estas láminas vienen con una capa de resina epoxi aplicada, por lo que su utilización para obtener una pieza resulta muy sencilla: tan solo es necesario aplicar diferentes láminas prepreg sobre un molde de la geometría a obtener y, una vez cubierto todo el modelo, dejar curar en un autoclave durante el tiempo recomendado por el fabricante (a veces utilizando bolsas de vacío para asegurar que las láminas se mantienen pegadas al molde). La alta temperatura del horno es idónea para el proceso de curación de la resina, resultando en la unión de las distintas capas de epoxi presentes en una sola matriz global y, por lo tanto, un producto final. Este proceso puede repetirse varias veces por lo que es posible la creación de elementos con geometrías muy complejas.

Volviendo a la pieza en cuestión, el perfil aerodinámico, la geometría del cual tiene un vaciado interior y grandes e irregulares curvaturas, la opción de utilizar un material compuesto resulta óptima por diferentes cuestiones.

Por un lado está el tema anteriormente comentado del vaciado interior, que dificulta en gran medida el uso de materiales que se trabajan a partir de la sustracción de un bloque de materia prima (la inmensa mayoría). En este aspecto los compuestos multicapa destacan por su flexibilidad a la hora de trabajar, ya que su proceso de modelado se basa en la adición.

Adicionalmente, la compleja geometría del perfil aerodinámico (sobre todo en la parte fija central, con el cambio de sección irregular) se adapta a la perfección al método de trabajo del laminado prepreg, pudiendo incluso obtener grosores variables a lo largo de una misma pieza.

Por último, que no menos importante, es el material que ofrece mayor ratio resistencia-peso, como se ha visto en la primera preselección a partir de las cartas de selección de materiales. De manera complementaria a este último criterio, dentro de la familia de materiales compuestos multicapa destaca el CFRP (fibra de carbono) como el material más eficiente en cuanto a relación resistencia- peso, por lo que será el material seleccionado para los elementos que conforman el perfil aerodinámico del sistema (parte fija central y ambas partes móviles laterales).

Figura 5.5. Tabla de propiedades de algunas fibras de refuerzo y materiales comunes.

Se ha optado por un grosor constante a lo largo de todo el perfil (siempre que sea posible) que se ha fijado en 2,5 mm, suficiente a priori para mantener una buena integridad estructural y reducir peso simultáneamente. Es evidente que esta decisión se tendrá que apoyar en unos cálculos de resistencia estructural, los cuales se llevarán a cabo posteriormente en un software de simulación por elementos finitos.

Al tratarse de una construcción multicapa estos 2,5 mm de grosor no contienen las fibras en una misma dirección, sino que se ha optado por disponer capas de prepreg comercial (ya multidireccionales de por sí) en direcciones de 45º y -45º alterativamente (respecto la dirección “principal” escogida), siendo cada lámina individual de un grosor de 0,25 mm. Esta disposición cruzada, adicional a las diferentes direcciones de fibra que pueda tener cada lámina de prepreg, proporciona una mayor homogeneidad de prestaciones y suaviza la ya comentada anisotropía.