ES2256343T3

ES2256343T3 - Anillo para la union de dos piezas estructurales con simetria de rotacion.

Info

Publication number: ES2256343T3
Application number: ES02002320T
Authority: ES
Inventors: Wolfgang Pritzer
Original assignee: EADS Space Transportation GmbH
Current assignee: EADS Space Transportation GmbH
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2006-07-16
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: DE50205546D1; ATE315519T1; EP1251066A3; EP1251066A2; US6729792B2; US20020146278A1; EP1251066B1; DE10111896B8; DE10111896B4; DE10111896A1

Abstract

Anillo para la unión de dos piezas (1-5) estructurales con simetría de rotación para dar una estructura de construcción ligera con simetría de rotación, en el que en la zona de unión entre las dos piezas (1-5) estructurales está presente una modificación de la inclinación de la línea meridiana de la estructura de construcción ligera, que se caracteriza porque el anillo contiene una malla (20, 22, 24) de PRFC circundante con fibras de carbono orientadas exclusivamente en la dirección circunferencial.

Description

Anillo para la unión de dos piezas estructurales con simetría de rotación.

La invención se refiere a un anillo para la unión de dos piezas estructurales con simetría de rotación para formar una estructura de construcción ligera con simetría de rotación.

Las piezas estructurales de sistemas de transporte aeroespacial se unen normalmente mediante anillos de aluminio. Los anillos presentan la mayoría de las veces una interfaz roscada o una interfaz separable de forma pirotécnica respecto a las piezas estructurales adyacentes. Estos anillos se utilizan especialmente para unir estructuras cónicas con cilíndricas. En la zona de unión de la estructura cónica a la cilíndrica deben desviarse las cargas axiales. Esta desviación crea elevadas fuerzas radiales y deformaciones en función del ángulo de conicidad. Aparte de la carga, la rigidez también disminuye, por tanto, de manera grave en dirección axial y radial. Para sistemas de transporte aeroespacial grandes, que se construyen con este tipo de estructuras, por ejemplo la lanzadera europea Ariane 5, supone un problema cumplir con los requisitos de rigidez unido al peso propio mínimo.

En el documento US 3.116.547 se describe un procedimiento para la fijación de un radomo cerámico con simetría de rotación a un cuerpo del cohete metálico y cilíndrico, de modo que resulta una estructura conjunta con simetría de rotación. En la zona de unión de las dos piezas estructurales a unir se produce una modificación de la inclinación de la línea meridiana de la estructura conjunta. La fijación se realiza mediante un anillo de plástico reforzado con fibra de vidrio giratorio. El anillo de plástico contiene capas alternantes de fibras de vidrio enrolladas de forma tangencial y radial.

El documento GB 2 196 922 A da a conocer un anillo de plástico reforzado con fibra de vidrio para la unión de dos piezas estructurales de forma tubular iguales para dar una estructura de construcción ligera igualmente de forma tubular.

La invención se basa en el objetivo de desarrollar un diseño con el que se pueda cumplir con la rigidez y solidez requeridas en estructuras de construcción ligera con simetría de rotación con el mínimo peso.

Este objetivo se alcanza por medio del objeto de la reivindicación 1. Las configuraciones ventajosas de la invención son objeto de las reivindicaciones adicionales.

El anillo según la invención para la unión de dos piezas estructurales con simetría de rotación para dar una estructura de construcción ligera con simetría de rotación presenta una malla de PRFC circundante con fibras de carbono orientadas en dirección circunferencial.

Con el anillo según la invención las elevadas fuerzas radiales que están presentes en la zona de unión entre las dos piezas estructurales se pueden amortiguar debido a la modificación de la inclinación de la línea meridiana de la estructura de construcción ligera.

La invención comprende especialmente dos formas de realización básicas:

1.: Refuerzo de anillos metálicos (llamado en lo sucesivo también anillo de base) mediante mallas de PRFC.

2.: Mallas de PRFC puras sin anillo metálico.

Ventajas de la invención:

-: peso reducido;

-: menor volumen requerido;

-: sencilla adaptación de la rigidez de la estructura conjunta a los requisitos respectivos, también en una fase muy tardía de un proyecto.

La invención se explica con más detalle con ayuda de ejemplos de realización concretos con referencia a las figuras. Los dibujos muestran:

La figura 1, un anillo según la invención a partir de un anillo 10 de base metálico con refuerzo 20 de PRFC en la zona de unión de una pieza 1 estructural de forma cónica con una pieza 2 estructural cilíndrica;

La figura 2, otra realización de un anillo según la invención a partir de un anillo 12 de base metálico con refuerzo 22 de PRFC en la zona de unión de una pieza 3 estructural de forma cónica con un adaptador de carga útil de forma cilíndrica no dibujado;

La figura 3, otra realización de un anillo según la invención a partir de una malla de PRFC sin anillo metálico en la zona de unión de una pieza 4 estructural de forma cónica con una pieza 5 estructural cilíndrica.

Refuerzo de anillos metálicos mediante mallas de PRFC

Para la unión con piezas 2 estructurales adicionales, el círculo superior e inferior de una pieza 1,3 estructural cónica se forma normalmente a partir de un anillo 10,12 metálico. El anillo puede además presentar la interfaz para formar una estructura de conexión adicional, la mayoría de las veces con una brida 7 con una serie de orificios para una unión roscada.

Puesto que, en el caso de las piezas 1, 2, 3 estructurales a unir, se trata de estructuras de construcción ligera, éstas se forman como estructuras tipo sándwich con alvéolos como núcleo y capas de revestimiento de PRFC. De la geometría de una sección transversal relativamente gruesa de un elemento sándwich y del requisito de un anillo de unión ligero resulta que los anillos 10, 12 tienen en la sección transversal la mayoría de las veces zonas en forma de U para la unión (mediante remaches 40 roscados o por adherencia) a las capas de revestimiento de las piezas 1, 2, 3 estructurales. La unión de la estructura tipo sándwich con el anillo se realiza principalmente a través de bridas 41.

Para poder cumplir con estas condiciones el requisito de una rigidez circunferencial elevada y al mismo tiempo un peso reducido, se propone según la invención, en lugar de un engrosamiento del anillo de aluminio (en el caso del Ariane 5 se necesita un diámetro de anillo de 5,40 m), utilizar el espacio existente en forma de U del anillo metálico para aplicar una malla 20 de PRFC específica, ligera e unidireccional. Las fibras de carbono discurren en la dirección de las líneas circunferenciales de la estructura de construcción ligera con simetría de rotación. Preferiblemente se utilizan fibras a módulo alto (módulo de elasticidad de al menos 300 GPa).

La superioridad de la malla de PRFC con respecto a una aleación de aluminio se expresa mejor con una comparación de los índices característicos del material más importantes. Para la malla unidireccional se utiliza una fibra de módulo alto típica en la navegación aeroespacial, por ejemplo M55JB-6K-50B y el sistema de resinas Rütapox L20/SL, y para el aluminio, la aleación de aluminio 3.4364 T7351 utilizada en el Ariane 5.

Si se comparan ambos materiales con respecto a su peso desde el punto de vista de la misma rigidez total (E*A) con E: módulo de elasticidad y A: superficie de sección transversal del anillo de PRFC, se obtiene con los materiales usados en el ejemplo el siguiente resultado:

Material	Aleación de aluminio	PRFC
Módulo E [N/mm^{2}]	70.000	310.000
Masa específica [kg/m^{3}]	2.800	1.587

(E \cdot A)_{ALU} = (E \cdot A)_{PRFC}

\frac{A_{ALU}}{A_{PRFC}} = \frac{ E_{PRFC}}{E_{ALU}}

\frac{G_{ALU}}{G_{PRFC}} = \frac{A_{ALU} \cdot L \cdot \rho _{AL}}{A\cdot L \cdot \rho _{PRFC}}

\frac{G_{ALU}}{G_{PRFC}} = \frac{E_{PRFC} \ \rho_{AL}}{E_{ALU} \ \rho_{PRFC}} = \frac{310000 \ N/mm^{2} \ 2800 \ kg/m^{3}}{70000 \ N/mm^{2} \ 1587 \ kg/m^{3}} = 7,81[-]

Esto significa que el peso del diseño de aluminio relativo sería con la misma rigidez total (E*A) 7,8 veces más pesado que la realización con refuerzo de PRFC, o dicho de otro modo, sólo se necesita un 12,8% del peso de la realización en aluminio si se refuerza el anillo con PRFC.

El refuerzo 20 de PRFC consiste en mechas mojadas o mechas impregnadas previamente, que se aplican antes de la integración en el anillo 10,12 de base o en las estructuras de conexión. El anillo 10, 12 de aluminio forma de este modo la carcasa o la pieza moldeada para el refuerzo 20 de PRFC. Esto puede realizarse en una máquina de bobinado o en una mesa giratoria, o con menos dispositivos las mechas pueden depositarse a mano como mechas impregnadas previamente o mojadas. A continuación, puede realizarse también un tratamiento térmico, dependiendo de las condiciones ambientales externas que experimente la pieza estructural durante su uso.

Para alcanzar una rigidez determinada, debe aplicarse una cantidad de fibra correspondiente, sin que sea de gran importancia la proporción de resina. Se pretende un volumen de fibra del 50% al 60%. La rigidez total (E*A) predeterminada con la cantidad de las fibras no varía, tan sólo aumenta el peso cuando se usa más resina o al contrario. Una mayor proporción de resina es ventajosa en cuanto que con ello va unido una simplificación del proceso de acabado. Las mechas de PRFC pueden aplicarse dependiendo de la realización del perfil de aluminio de cada lado (del interior, exterior, superior, inferior, oblicuo).

Malla de PRFC sin anillo de base metálico

Si las estructuras en la zona de unión cónica/ cilíndrica con otra estructura no necesitan tener ninguna interfaz (brida 7 de la figura 1), puede prescindirse por completo de un anillo de conexión metálico. En lugar de ello, se sustituye este anillo por un anillo 24 de PRFC que, tal como se ha descrito anteriormente, consiste en fibras de carbono unidireccionales y se fabrica en una forma laminada correspondiente, del mismo modo como se ha descrito anteriormente. Esta realización se muestra en la figura 3. El anillo 24 de PRFC se une entonces directamente con el elemento sándwich de la pieza 5 estructural cilíndrica y de la pieza 4 estructural de forma cónica mediante bridas 30, 31, 32 giratorias (principalmente pegadas) en el lado exterior e interior. Las bridas asumen la tarea de transmitir las elevadas fuerzas de las capas de revestimiento tipo sándwich entre la estructura cónica y la estructura cilíndrica. También en esta realización pueden utilizarse ventajosamente fibras de módulo alto con un módulo de elasticidad superior a 300 GPa.

Definiciones

PRFC:: plástico reforzado con fibra de carbono, del inglés "carbon fibre reinforced plastic" (CFRP)

Diseño:: proyecto, modo de construcción, dimensión

Interfaz:: Unión mecánica entre dos estructuras

Mecha:: madeja de fibra que consiste en miles de fibras individuales paralelas

Volumen de la fibra:: proporción en volumen de fibras en una mezcla de fibras y resina

Sándwich:: Placa ligera resistente al abollado que consiste en capas de revestimiento finas (por ejemplo, de aluminio, PRFC) y un material de núcleo grueso (por ejemplo, alvéolo de aluminio, espuma).

Línea meridiana:: línea de intersección de la estructura de construcción ligera con simetría de rotación con un plano, en el que se encuentra el eje de rotación.

Línea circunferencial:: Línea de intersección de la estructura de construcción ligera con simetría de rotación con un plano que se encuentra en vertical respecto al eje de rotación.

Claims

1. Anillo para la unión de dos piezas (1-5) estructurales con simetría de rotación para dar una estructura de construcción ligera con simetría de rotación, en el que en la zona de unión entre las dos piezas (1-5) estructurales está presente una modificación de la inclinación de la línea meridiana de la estructura de construcción ligera, que se caracteriza porque el anillo contiene una malla (20, 22, 24) de PRFC circundante con fibras de carbono orientadas exclusivamente en la dirección circunferencial.

2. Anillo según la reivindicación 1, que se caracteriza porque comprende un anillo (10, 12) de base metálico en cuya sección transversal se introduce la malla (20, 22) de PRFC circundante.

3. Anillo según la reivindicación 2, que se caracteriza porque el anillo (20, 22) de base metálico presenta en la sección transversal un entrante abierto hacia la pieza estructural, estando embutida la malla (20, 22) de PRFC en este entrante.

4. Anillo según la reivindicación 1, que se caracteriza porque consiste exclusivamente en la malla (24) de PRFC circundante sin anillo de base metálico.

5. Anillo según la reivindicación 4, que se caracteriza porque la malla (24) de PRFC está unida mediante bridas (30-32) de PRFC con las piezas (4,5) estructurales.

6. Unión de dos piezas estructurales con un anillo según una de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque las piezas (1-5) estructurales consisten en un material sándwich.