Influencia del ángulo de la fibra en las frecuencias naturales de vigas sumergidas cerca de estructuras rígidas

Abstract

En la Ingeniería Mecánica existen diversos tipos de máquinas que interactúan con fluidos, como turbinas y bombas entre otros. Conjuntamente, hoy en día, se hace cada vez más común que estos equipos se confeccionen con materiales compuestos. Cuando estos elementos de máquina están sumergidos en líquidos más densos que el aire, sus frecuencias naturales disminuyen con respecto a las calculadas en un medio gaseoso. En este contexto, se realizó un estudio paramétrico, numérico y experimental sobre cómo influye la orientación de la fibra unidireccional de una viga compuesta empotrada, sobre la reducción de sus frecuencias naturales en flexión, cuando se encuentra sumergida cercana a una estructura rígida. El objeto de estudio es una viga epóxica reforzada con fibra de vidrio, la cual se ensayó para cuatro orientaciones de la fibra distintas. Primeramente, se evaluó el efecto de la inmersión de la viga a una distancia donde sus frecuencias naturales no se vieran afectadas por distancia a la superficie libre, ni por la distancia a la estructura rígida en el fondo. Luego, se compararon los resultados con un modelo analítico propuesto por M.R. Kramer y un código comercial de elementos finitos (SAMCEF). Se observó que se pueden predecir las dos primeras frecuencias naturales con el método analítico y el numérico, generándose un error menor al 10% en todas las frecuencias naturales analizadas por esta vía, exceptuando el caso de una viga con la fibra orientada a 0° con respecto a su eje principal, donde se observa un error superior al 20% para el modelo analítico. Luego, en un ensayo donde se varió la distancia entre la viga y la estructura rígida, se observa para cada placa, que la razón de cambio en las frecuencias naturales aire-agua es la misma para los tres primeros modos en flexión. Lo mismo ocurre con el factor de masa agregada. El error absoluto promedio, que se produce al analizar este caso con un modelo de elementos finitos, es de un 4%, cuantificándose un error máximo de un 17%. Asimismo, en cuatro frecuencias naturales los errores fueron superiores a un 10%. Con base en los resultados, se concluye que la variación de las frecuencias naturales y el factor de masa agregada de una viga en voladizo sumergida, no dependen de la orientación de la fibra. Este conocimiento puede significar una mejora en la etapa de diseño de un producto fabricado en materiales compuestos, que funcione sumergido y cercano a estructuras rígidas, como en el caso de bombas o turbinas. Palabras clave: Viga en voladizo sumergida, viga compuesta, Interacción fluido-estructura, FSI, masa agregada, frecuencias naturales, vibración libre.