Diseño, análisis y validación de la estructura mecánica del calorímetro CALIFA en el experimento R3B de FAIR

Resumen

En esta tesis se evalúa la fiabilidad de un modelo de elementos finitos (EF) que incluye materiales metálicos y plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) para el caso de una estructura alveolar de pared delgada propuesta para un instrumento científico. Los cálculos mecánicos que utilizan modelos EF, incluidos los CFRP, requieren paquetes de software dedicados para describir el comportamiento micro-mecánico de los materiales orto-trópicos. A pesar de sus limitaciones, estos paquetes de software comercial son herramientas poderosas para analizar estructuras que incluyen este tipo de materiales compuestos. Sin embargo, para estructuras complejas y de numerosos elementos, los modelos consumen muchos recursos computacionales y temporales tanto para la definición como para cálculo. De hecho, la convergencia del modelo está comprometida debido al gran conjunto de condiciones no lineales involucradas. En este trabajo se presenta un método para reducir un modelo altamente no lineal, incluidos los CFRP, en otro modelo EF robusto y simplificado capaz de describir la estructura con desviaciones e incertidumbres conocidas, lo cual tiene una lógica funcional debido a que la configuración de tejido multicapa con las fibras posicionadas en diferentes ángulos, confieren a éste unas propiedades cuasi-isotrópicas. El trabajo se centra en un caso de estudio concreto, origen del problema: el diseño de un instrumento científico complejo, el llamado calorímetro CALIFA del laboratorio Nuclear Physcis FAIR (Alemania). CALIFA es único en su clase, siendo lo último en calorímetros en instalaciones internacionales. La información de entrada de múltiples fuentes necesaria para el diseño es un proceso continuo que da como resultado cambios a lo largo de los años de desarrollo (2005-2012) antes de adoptar la opción adecuada. Debido a la naturaleza del problema, el sensor y la estructura están estrechamente relacionados y evolucionan de la mano. Por lo tanto, las herramientas de cálculo son necesarias para proporcionar la información adecuada para las opciones de diseño. Los cambios de los sensores (forma, volumen, distribución,…) gobiernan las necesidades a pequeña escala, pero se reflejan en la estructura general. Una herramienta de cálculo demasiado compleja supone un cuello de botella para evaluar las opciones de diseño. Desarrollar una estrategia de modelo más rápida y confiable es la clave para ayudar en el proceso de diseño con una herramienta de cálculo adecuada para respaldar el trabajo. Previamente a realizar el análisis estructural fue necesario conocer las propiedades mecánicas de todos los materiales de sus diferentes componentes. Resultan fáciles de obtener las relativas a los materiales metálicos comunes empleados, pero la obtención de las propiedades de un determinado composite es una labor de mucha mayor complejidad debido a la ingente cantidad de configuraciones micro-mecánicas y de los diferentes constitutivos de éstas. Los proveedores no acostumbran a facilitarlas con precisión sobre cada tipo de tejido y simplemente aportan las de uno genérico. Por lo tanto, o se recurre a realizar ensayos estandarizados del material fabricado que prolongan más de lo deseado el proceso de diseño o, como fue el caso de este estudio, se recurre a la minuciosa búsqueda en la literatura científica publicada que aporte las propiedades mecánicas del composite utilizado con su configuración micro-mecánica y constituyentes. Otro paso fundamental ha consistido en implementar un sistema que permita evaluar las cargas gravitatorias triaxiales a que está sometido el conjunto pero aislando la rigidez de los cristales con la del resto de la estructura, para obtener un verdadero valor de sus deformaciones que no quede influenciada por la rigidez del contenido. El estudio de los tipos de contactos EF entre los diferentes componentes fue un aspecto fundamental teniendo en cuenta que algunos de ellos son no lineales. Después de analizar los datos medidos se evalúan los detalles del modelo EF y los materiales definidos. Las selecciones de contacto se discuten y se estiman las desviaciones. Se analizan otras alternativas de contactos lineales incluyendo combinaciones de estos para convertir todo el conjunto a un modelo EF lineal. Las deformaciones esperadas en puntos críticos de la estructura, incluidas las incertidumbres, resultaron por debajo de las tolerancias de producción reales, lo que hace que el modelo sea una herramienta exitosa para el proceso de diseño. El enfoque desarrollado en este trabajo sirve como referencia para otras aplicaciones que exigen evaluaciones mecánicas intensivas complejas dentro de plazos de tiempo ajustados.