DEPARTAMENTO DE ENERGA Y MECNICA

INGENIERA MECATRNICA

TECNOLOGA DE LOS MATERIALES

CUARTO NIVEL

CONSULTA

TEMA: Diseo y seleccin de materiales para el ala de un avin

ESTUDIANTE:

LatacungaMARZO /2013

1. TEMA:Diseo y seleccin de materiales para el ala de un avin1. OBJETIVO

Indagar y analizar las propiedades mecnicas de ciertos materiales aplicados en la construccin del ala de un avin tomando en cuenta el diseo, parmetros de seguridad y optimizacin de recursos para de esta forma mediante el desarrollo de conceptos, ampliar conocimientos en la materia de Tecnologa de los materiales en el campo de la Ingeniera.

1. INTRODUCCINLos intentos por volar han sido muchos, y se ha tardado en conseguirlo, no solo por la tcnica inadecuada, si no por los materiales incorrectos o falta de motores ligeros y potentes.En una aeronave, la combinacin de paneles exteriores fuselados para proporcionar las superficies aerodinmicas de sustentacin y los miembros de apoyo interiores que transmiten la fuerza de sustentacin al fuselaje, reciben el nombre de estructura de un ala. La estructura se puede describir como una integracin del medio externo del ala, la forma aerodinmica de dicha ala y el uso que se propone dar al vehculo. La interaccin de estos tres aspectos de diseo lleva a la seleccin del material, al concepto estructural general y, finalmente, a la seleccin detallada de formas estructurales, espesor de los materiales, uniones y puntos de fijacin. El resultado es un armazn estructural cubierto con un forro metlico que contribuye tambin a la funcin de soportar la carga.La estructura del ala se ha desarrollado a partir del uso primitivo de madera, lona barnizada y alambre. Hoy en da, los forros exteriores de aleaciones dealuminioson elementos primarios estructurales en todos los transportes comerciales, as como en la mayor parte de las naves de uso militar. Se utilizan tambinmagnesio,aceroytitanioen la estructura interna principal, as como en reas locales especficas del forro. Las ms exticas naves de investigacin, como el X-15, se construyen, por lo menos parcialmente, con aleacin de nquel. Algunos materiales an menos convencionales pueden utilizarse para estructuras de naves diseadas para reingreso a laatmsfera.La derivacin de las cargas netas permite una consideracin cuantitativa del armazn estructural general. Sin embargo, el diseo de la estructura es inseparable de la seleccin del material. El espesor y la forma de las partes individuales afectan tambin la resistencia en estructuras eficientes y de peso ligero, a causa de los modos de estabilidad de compresin.La alta resistencia esttica y el peso ligero aunados a caractersticas razonables de rigidez, resistencia a la corrosin y a la fatiga, costo y moldeabilidad son consideraciones primarias en la seleccin del material para una clula. Estas clulas, que soportan grandes cargas con alta eficiencia, han encontrado estas cualidades en el aluminio. Sin embargo, tal parece que la demanda de mayor velocidad en la interaccin con el medio fsico, har que el aluminio sea reemplazado por el acero, los refractarios, lacermica, y compuestos de stos. Otros parmetros importantes en la actualidad son las caractersticas de resistencia a la ruptura y resistencia en carga, a alta temperatura, en los materiales.

1. DESARROLLODISEOArmazn estructural principalEsencialmente, la estructura de un ala de aeronave consta de dos vigas en voladizo, sujetas una a la otra. Cada extremo del ala es el final libre del voladizo, y la lnea central del vehculo representa el plano en el cual se unen los dos extremos fijos de aquel. La principal porcin que soporta la carga de estos voladizos es una caja de vigas, generalmente formada por dos o ms tramas, ms una porcin principal de los forros superior e inferior del ala, que sirven como patines de la viga. Esta caja tambin proporciona resistencia y rigidez torsionales. Normalmente, la caja principal est diseada para soportar todas las cargas estructurales principales.Las porciones de borde de ataque y salida del ala, adelante y atrs, respectivamente, de la caja principal, ayudan a proporcionar la forma aerodinmica requerida. El diseo de estas dos partes minimiza su participacin en la funcin principal de soportar las cargas.Estructura del borde de ataqueEl borde de ataque o porcin ms adelantada del ala, sirve a una importante funcin aerodinmica al establecer un flujo uniforme de aire y una fuerza de sustentacin eficiente para el ala. Esta rea soporta las presiones aerodinmicas ms altas. En el caso de vehculos hipersnicos, tambin es el punto ms crtico del diseo. Estructuralmente, el borde de ataque es un apndice, un miembro de la estructura aerodinmica cuyas cargas locales deben ser soportadas por la caja principal del ala. Esta estructura toma la forma de viga en voladizo, o de estructura del tipo de arco, desde el borde delantero, lasta la viga vertical frontal.Frecuentemente, el borde delantero de una aeronave tiene incorporados medios para combatir la formacin de hielo durante el vuelo. Gran parte de las aeronaves tienen superficies de borde de ataque con ranura en las alas. Estructura del borde de salidaLa estructura del borde de salida es digna de atencin por sus diversos dispositivos auxiliares, que ayudan en el control de la aeronave, o contribuyen a reducir las velocidades de aterrizaje de la misma. El espacio situado detrs de la viga posterior de la caja principal es llenado por completo con varias formas de aletas, alerones y superficies de frenado, y sus mecanismos de control hidrulicos o elctricos.Las aletas de aterrizaje consisten en una estructura mvil de forma aerodinmica, localizada detrs de la viga posterior junto al fuselaje. Estas aletas ocupan alrededor de dos tercios de la envergadura del ala. Su funcin aerodinmica es la de incrementar la sustentacin, permitiendo as velocidades ms bajas de despegue y aterrizaje.Los alerones estn localizados cerca de los extremos de las alas, en el borde de salida. Su principal funcin aerodinmica es el control de giro de la aeronave sobre su eje longitudinal. Estructuralmente, el alern es semejante a las aletas de aterrizaje.Las superficies de frenado son una forma especial de superficie de control y llevan tambin a cabo la funcin aerodinmica del alern, o sea, el control de banqueo de la aeronave. Estn localizadas en la superficie superior del borde de salida, aproximadamente al centro del largo de un ala, y se deflexionan solamente hacia arriba por medio del control del piloto. Estas superficies tambin son usadas durante la carrera de aterrizaje del avin a fin de evitar que corrientes de aire generen sustentacin y se pierda efectividad del frenado de las ruedas sobre el piso.Estructura del ala al fuselajeEl corazn estructural de la aeronave es la unin del ala al fuselaje. Esta conexin es generalmente la ms compleja en forma y en anlisis. Deben unirse dos elementos estructurales principales, el ala y el fuselaje, con grandes cargas en ngulos rectos la una de la otra, y adems deben analizarse para localizar deformaciones consistentes. Las estructuras del ala que se han descrito, estn sujetas a fuertes anillos de aluminio o cuadernas. Estas cuadernas distribuyen las cargas del ala hasta los forros o cubiertas del fuselaje.

MATERIALLa maderaLos primeros materiales en emplearse fueron la madera y la tela, proporcionaban una resistencia adecuada con un peso muy bajo. La madera en muchos aspectos se comporta como un material compuesto, por cmo est constituida por capas, con mejores propiedades en la direccin longitudinal de la fibra, tiene valores de mdulo elstico y resistencias muy altos para su densidad. Veamos algunos ejemplos:AbetoE=9000MpaResistencia a la traccin: 70MpaDensidad: 400kg/m3AbedulE=14250Mpa Resistencia a la traccin 100MpaDensidad: 630kg/m3

Estos valores son mejores que los de algunas aleaciones de aluminio, pero:1.La madera sufre cambios en su tamao y sus propiedades con la variacin de humedad2.La madera se ve sometida al ataque biolgico.Fue utilizada hasta la segunda guerra mundial. Antes principalmente en estructuras recubiertas de tela y en recubrimientos. En la Segunda Guerra Mundial se emple en forma de laminados, en algunas estructuras y recubrimientos, siendo el ejemplo ms conocido el avin britnico mosquito.

El aceroEl acero tiene buenas cualidades respecto a resistencia, pero su densidad es excesiva y tiene graves problemas de corrosin. No obstante sustituy a la madera en la construccin: Ya en la primera Guerra Mundial Junkers emple chapas de aluminio corrugado para ahorrarse el peso de los rigidizadores y crear el 1er avin enteramente metlico (y monoplano) relegando el uso de la madera, y Fokker emple la estructura del tubo de acero recubierta de tela.

OK:ResistenciaKO:Su densidad es 3 veces la densidad de las aleaciones de aluminio, y hasta 10 veces la de la madera.Hay que evitar que en su uso entre en contacto con aleaciones de aluminio:Corrosin galvnica en contacto con otras aleaciones (sta tambin se da entre aleaciones de aluminio, pero es menor, por ser su potencial de oxidacin ms semejante).Al ser ms rgido que el aluminio, se cargar ms que este, haciendo que no trabaje como debiera.An es esencial para la fabricacin de algunos componentes, como pueden ser el tren de aterrizaje, herrajes, bancadas de motor...Su coste es inferior al de otro tipo de aleaciones. Es tres veces ms pesado que el aluminio, pero tambin tres veces ms resistente.AluminioEn el siglo XIX el aluminio era tan caro de producir que era considerado un metal semiprecioso. Adems las cualidades del aluminio sin alear ni refinar, dejaban mucho que desear, como para pensar en l para algn uso industrial (la resistencia del aluminio aleado es de 6 a 8 veces superior al aluminio sin alear).A partir de la Primera Guerra Mundial, el desarrollo de sus aleaciones, y la necesidad de un metal menos pesado que el acero, llevan a su implantacin masiva en la aviacin, y hasta nuestros das ha sido el material ms usado en aeronutica por...Adecuada resistenciaBaja densidadConocimiento de sus tcnicas de fabricacin (fcilmente forjable, fcil de trabajar y reparar, se conoce muy bien su funcionamiento).

TitanioSu densidad est entre la del aluminio y la del aceroOK:Se comporta bien ante la corrosinSoporta bien las altas temperaturas (400 500C)KO:Sus propiedades se degradan en ambientes salinosSu coste es 7 veces superior al del aluminio

Materiales Compuestos (composites)

En parte su comportamiento puede asimilarse al de la madera: Son apilados en capas de distintos tipos de materiales, lo que hace que sus propiedades varen segn la direccinTienen la gran ventaja de poder fabricar los materiales a medida, es decir, en funcin de las necesidades de resistencia, las direcciones de aplicacin de las cargas, construiremos nuestro material compuesto de una forma u otra. Ejemplo: en los materiales compuestos de fibras embebidas en matriz plstica, el % de unos y otros, el tipo de fibra (matt o fieltro, tejido...) y el orden de apilamiento de las capas, los elegiremos en funcin de las caractersticas que deseamos obtener.

1. CONCLUSIONES Tanto el diseo como la seleccin del material son predominantes a la hora de determinar propiedades aptas para la funcin del ala de un avin, significando complemento fundamental del avin como tal y estructurando la seguridad humana.

La alta resistencia esttica y el peso ligero aunados a caractersticas razonables de rigidez, resistencia a la corrosin y a la fatiga, costo y maleabilidad son consideraciones primarias en la seleccin del material para una clula.

Actualmente para efectos de optimizacin mecnica se ha aplicado ampliamente una gama de materiales compuestos que ayudan de sobremanera a satisfacer todas las expectativas del producto gracias a sus caractersticas nicas, en las alas del avin la fibra de carbono predomina por sus propiedades satisfactorias.

1. RECOMENDACIONES Se recomienda visualizar de mejor manera las propiedades mecnicas que cada material posee en nuestro medio para retomar la idea de diseo y aplicacin de materiales con una visin ms tcnica.

Para complementar de mejor manera el anlisis de materiales en el equipo tratado, sera muy beneficioso observar y palpar el ala de un avin y divisar las caractersticas explicadas.

Las nuevas tendencias ampliadas hacia la optimizacin de recursos har que se planteen nuevas propuestas en el manejo de estos equipos, mayor aerodinamismo y por ende debemos contribuir con ideas innovadoras y constructivas.

1. BIBLIOGRAFA

Enciclopedia McGraw-Hill de Ciencia y Tecnologa. 2da. Edicin, Tomo I,1992, pp 75. "http://www.ecured.cu/index.php/Ala_(aeron%C3%A1utica)" http://sandglasspatrol.com/IIGM-12oclockhigh/Materiales%20Aeronauticos.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Ala_(aeron%C3%A1utica)