Estudio paramétrico de un laminado tejido de material compuesto de fibra de carbono sometido a impacto mediante modelos de elementos finitos

Abstract

[ES] La eficiencia energética supone un factor determinante a la hora de cumplir los objetivos económicos y medioambientales marcados en los diferentes sectores industriales. Para lograr esta eficiencia, el uso de materiales y estructuras optimizadas en peso y resistencia es clave. En este aspecto los materiales compuestos representan una solución interesante, ya que poseen unas excelentes propiedades mecánicas con peso muy reducido, en comparación a otras opciones.

El presente proyecto se centra en el estudio de seguridad ante impacto de un laminado de material compuesto de fibra de carbono para su utilización en el equipo Helios Race UPV cuyo objetivo es el de desarrollar un prototipo de monoplaza propulsado únicamente por energía solar. Este laminado se utilizará para la fabricación de la carrocería del vehículo, por lo que se buscará una solución estructural óptima en peso, y que proporcione la resistencia suficiente ante situaciones extremas de vuelco, impacto frontal e impacto lateral para garantizar la seguridad del piloto en todo momento.

En el estudio se analiza el comportamiento ante impactos a baja velocidad de diferentes laminados tejidos de fibra de carbono variando su espesor, su orientación y la secuencia de apilamiento de sus capas. Para ello, se han desarrollado diversos modelos numéricos mediante el método de los elementos finitos, con el fin de calcular algunos de los parámetros más significativos de los laminados.

Tras la obtención y discusión de los datos se extraerá como conclusión más relevante la elección de un laminado de material compuesto para la fabricación de la carrocería del vehículo desarrollado por Helios Race UPV.

Posteriormente, se comprobará que el laminado seleccionado cumpla todos los requerimientos del estudio de seguridad comparando los resultados numéricos obtenidos con los resultados experimentales.

[EN] Energy efficiency is a determining factor in meeting the economic and environmental objectives set in the different industrial sectors. To this efficiency, the use of materials and structures optimized in weight and strength is key. In this regard, composite materials represent an interesting solution, as they possess excellent mechanical properties with very low weight, compared to other options.

The present project focuses on the impact safety study of a carbon fiber composite material laminate for use in the Helios Race UPV team whose objective is to develop a monoplace prototype propelled only by solar energy. This laminate will be used for the manufacture of the vehicle¿s body, so an optimal structural solution will be sought in weight, and that provides sufficient resistance to extreme situations of twist, frontal impact and side impact to ensure the safety of the driver at all times.

The study analyzes the behavior before low-speed impacts of different carbon fiber laminated tissues, varying their thickness, orientation and stacking sequence of their layers. For this purpose, various numerical models have been developed using the finite element method, in order to calculate some of the most significant parameters of laminates.

After obtaining and discussing the data, the most relevant conclusion will be the choice of a composite material laminate for the manufacture of the car body developed by Helios Race UPV.

Subsequently, it will be verified that the selected laminate meets all the requirements of the safety study by comparing the numerical results obtained with the experimental result.