Análisis estructural de un cohete sonda mediante elementos finitos

Abstract

[ES] En este Trabajo de Fin de Grado se lleva a cabo un estudio exhaustivo sobre la resistencia y el comportamiento estructural de un cohete sonda utilizando el Método de los Elementos Finitos (FEM). El objetivo principal de este proyecto es garantizar la integridad estructural del cohete bajo diversas condiciones de carga durante su vuelo, asegurando así su seguridad y eficiencia.

Este estudio parte de la necesidad de disponer de modelos fiables para analizar la estructura de futuros vehículos desarrollados por Faraday Rocketry UPV, equipo de la Universitat Politècnica de València dedicado al desarrollo de cohetes sonda.

La metodología empleada incluye la conceptualización del cohete, la selección de materiales adecuados y el diseño estructural basado en estos materiales. Se han utilizado herramientas de modelado CAD para crear representaciones precisas del cohete y posteriormente se han aplicado simulaciones de elementos finitos para analizar su comportamiento bajo diferentes escenarios de carga. Estas simulaciones permiten identificar puntos críticos y posibles fallos estructurales, facilitando la implementación de mejoras en el diseño.

Durante el análisis, se evalúan múltiples factores como las cargas de empuje, las fuerzas de los paracaídas y los impactos a los que el cohete se somete durante su vuelo. Los resultados obtenidos de las simulaciones FEM se relacionan con la experiencia acumulada del lanzamiento del cohete estudiado y de sus predecesores, garantizando la fiabilidad de las conclusiones.

El estudio revela que el diseño estructural propuesto es robusto y capaz de soportar las condiciones extremas del vuelo. Además, se identifican y mitigan posibles fenómenos de fallo, destacando entonces la importancia de una fabricación precisa y de alta calidad para prevenirlos.

Finalmente, las mejoras implementadas en el diseño y la elección de materiales avanzados resultan en un incremento significativo de la seguridad y el rendimiento del cohete sonda. Este TFG demuestra la efectividad del método de elementos finitos en el análisis y optimización estructural de cohetes, contribuyendo al avance de la investigación en el ámbito de la ingeniería aeroespacial.

[EN] In this Bachelor's Thesis, a comprehensive study on the strength and structural behavior of a sounding rocket is conducted using the Finite Element Method (FEM). The main objective of this project is to ensure the structural integrity of the rocket under various load conditions during its flight, thereby ensuring its safety and efficiency.

This study stems from the need to have reliable models for analyzing the structure of future vehicles developed by Faraday Rocketry UPV, a team from the Polytechnic University of Valencia dedicated to the development of sounding rockets.

The methodology employed includes the conceptualization of the rocket, the selection of suitable materials, and the structural design based on these materials. CAD modeling tools have been used to create accurate representations of the rocket, and finite element simulations have subsequently been applied to analyze its behavior under different load scenarios. These simulations help identify critical points and possible structural failures, facilitating the implementation of design improvements.

During the analysis, multiple factors are evaluated, such as thrust loads, parachute forces, and the impacts the rocket undergoes during its flight. The results obtained from the FEM simulations are correlated with the accumulated experience from the launch of the studied rocket and its predecessors, ensuring the reliability of the conclusions.

The study reveals that the proposed structural design is robust and capable of withstanding the extreme conditions of the flight. Additionally, potential failure phenomena are identified and mitigated, highlighting the importance of precise and high-quality manufacturing to prevent them.

Finally, the improvements implemented in the design and the choice of advanced materials result in a significant increase in the safety and performance of the sounding rocket. This thesis demonstrates the effectiveness of the finite element method in the structural analysis and optimization of rockets, contributing to the advancement of research in the field of aerospace engineering.