ES2283159B1 - Procedimiento de medida de la resistencia y fatiga en estructuras dinamicas, sometidas a deformacion y dispositivo de medicion para su puesta en practica. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de medida de la resistencia y fatiga de estructuras dinámicas sometidas a deformación. Consiste en la medida de los ángulos de giro o deformación dentro del campo de la Resistencia de Materiales de las estructuras como consecuencia de los esfuerzos a que se someten. Las medidas se efectúan por medio de niveles de precisión. Su aplicación fundamental será en el campo del transporte; en la medida de la resistencia y fatiga de buques (cascos), aviones (alas y fuselajes) y estructuras de naturaleza similar. La solución técnica que ofrece este procedimiento es el determinar de manera exacta la resistencia y/o fatiga de estas estructuras, partiendo del principio de que estas estructuras en sus cálculos estructurales se consideran como vigas y por lo tanto sus comportamientos mecánicos (deformaciones elásticas) son iguales al de una viga. Por ejemplo en un avión, éste estaría formado por tres vigas: ala, estabilizador y fuselaje.

Description

Procedimiento de medida de la resistencia y fatiga en estructuras dinámicas, sometidas a deformación, y dispositivo de medición para su puesta en práctica.

Objeto de la invención

La invención se refiere, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, a un procedimiento de medida de la resistencia y fatiga en estructuras dinámicas, sometidas a deformación, y dispositivo de medición para su puesta en práctica.

En concreto, el objeto de la invención consiste en un procedimiento que mediante el cálculo, de acuerdo con las fórmulas y análisis matemáticos aplicados dentro del campo de la resistencia de materiales, de los ángulos de deformación y/o giro longitudinal y transversal de una estructura, permite averiguar la capacidad exacta de resistencia y fatiga de la misma, utilizando para ello un dispositivo de medición configurado a partir de uno o más módulos, herméticos y anticolisión, que incorporan, además de respectivos niveles de precisión longitudinal y transversal para calcular los mencionados ángulos, una serie de elementos adicionales que incrementan su precisión y funcionalidad.

Campo de aplicación

Esta invención tiene su aplicación dentro del sector técnico del cálculo y medida de la resistencia y/o fatiga de las estructuras en el campo de la Resistencia de Materiales.

Antecedentes de la invención

Respecto al estado de la técnica y en concreto en el campo de la Ingeniería Naval, las Sociedades de Clasificación, que son quienes determinan el cálculo de los distintos tipos de casco, hasta día de hoy siguen sin utilizar en absoluto la flecha ni el ángulo de torsión y/o giro en sus cálculos, obteniendo las fórmulas y/o criterios constructivos en base a la experiencia. Como ejemplo, se expone que en el caso de buques con deformación permanente longitudinal (arrufo y/o quebranto), la valoración se hace por criterio personal del ingeniero en base a su experiencia profesional y buena vista.

El objeto de la presente invención es, por tanto, preconizar un procedimiento mediante el cual dicha valoración se realice en base a cálculos exactos y concretos, obtenidos mediante la utilización de medios adecuados que permitan su realización.

Explicación de la invención

Así, y tal como se ha mencionado anteriormente, la invención consiste en un procedimiento que, de acuerdo con las fórmulas y análisis matemáticos aplicados en el campo de la resistencia de materiales, consiste en calcular los ángulos de deformación y/o giro longitudinal y transversal de la estructura cuya resistencia y fatiga se pretende conocer, utilizando para ello un dispositivo de medición configurado a partir uno o más módulos aptos para la medición de los mencionados ángulos, los cuales se configuran como contenedores herméticos y anticolisión, comprendiendo alojados en su interior dos niveles de precisión dispuestos, uno en sentido longitudinal, respecto a la estructura a medir, y otro en sentido transversal, además de otros elementos adicionales y/u opcionales, tal como sistema antivibración o aislador de vibraciones, receptor-transmisor de datos por ondas radioeléctricas con baterías recargables así como un sistema de detección por emisión de señales radioeléctricas para su localización, sistema de grabación de datos con reloj y/o cronómetro de precisión para el análisis de dichos datos, pudiendo realizarse dichas mediciones por sensores conectados al módulo pero fijados de forma independiente a la estructura en puntos sensibles.

Para mejor comprensión del procedimiento de la invención, se recurre como ejemplo a la estructura de un casco correspondiente a un buque, que se encuentra sobre la ola en situación de máxima deformación por quebranto, en la cubierta del buque deformada forma una línea curva, cuya longitud es conocida, y mediante la colocación de sendos módulos en extremos de proa y popa, se obtienen los ángulos correspondientes a las tangentes en dichos puntos respecto a la horizontal o cubierta sin deformar, permitiendo determinar la flecha o rango de deformación, del casco en sentido longitudinal y por tanto su resistencia o fatiga de trabajo longitudinal de acuerdo con las fórmulas o análisis matemáticos dentro del campo de la Resistencia de Materiales.

Así mismo, mediante este procedimiento se obtiene la situación o punto donde la flecha o deformación de la estructura es máxima, el cual será dado por la recta que, pasando por el punto de intersección de la prolongación de las tangentes de los descritos puntos extremos, es perpendicular a la línea recta que los une.

Esta explicación es igualmente válida para la situación de arrufo.

Respecto a la segunda medida de los ángulos de torsión, el procedimiento es más simple, solo que dichos ángulos de giro se miden en el plano transversal a la eslora del mencionado buque, tomado como estructura a medir, en los puntos extremos de proa y popa en la situación de torsión. Los planos transversales en la cubierta se pueden interpretar como mamparos imaginarios. En este caso, la suma de los ángulos de cada uno será el ángulo a considerar para el cálculo de la fatiga cortante. El valor de este ángulo se obtiene por la diferencia de los valores absolutos de los ángulos medidos en los puntos extremos de proa y popa.

Por su parte, los mencionados módulos, pueden, opcionalmente, ser de dos tipos, según convenga, solidarios a la estructura, y que por tanto se mueven con ella, o de tipo automático, que son aquellos que mantienen su horizontalidad y/o verticalidad; de tal forma que el ángulo de giro o deformación se medirá también respecto a la horizontal y/o vertical, siendo particularmente precisos a la hora de determinar, por ejemplo, el ángulo de torsión en distintos puntos del ala de un avión, para lo cual se utilizaría un número determinado de módulos situados convenientemente a lo largo del ala, como puede ser la zona de los motores, tren de aterrizaje, etc.

Otro ejemplo de aplicación sería en el rescate de buques averiados, tal como sucedió con el "Prestige", en donde utilizando dos módulos autónomos con sistema emisor-transmisor de datos por ondas radioeléctricas, se hubiese podido saber en todo memento la progresión de la avería o resistencia restante, evitándose la catástrofe.

Dichos módulos o contenedores se hubiesen llevado al buque antes del abandono por la tripulación fijándose en los extremos de proa y popa e igualando para cualquier inclinación los valores absolutos de los ángulos medidos en ese instante.

Si bien los ángulos medidos se pueden considerar en sí mismos una medida precisa de la resistencia o fatiga en función de la variación de sus valores respecto al tiempo; dada la naturaleza empírica de los cálculos en el diseño de este tipo de estructuras, es por lo que no se expone ningún análisis matemático, geométrico, informático (CAD,s, programas, etc.), dejando en manos de los diseñadores, organismos públicos, aseguradoras y empresarios el análisis exacto de los datos obtenidos por este procedimiento.

Las ventajas técnicas del procedimiento de la invención, se basan en el hecho de que no se conoce la utilización del mismo, tal como se demostró en el caso del "Prestige" y más recientemente en la implantación en los buques de una caja registradora de datos, en donde no se incluye esta práctica, al igual que en el campo de la aeronáutica, en las conocidas como "cajas negras" de las aeronaves, en donde no es posible precisar si un avión ha caído por fallo estructural, tal como se demuestra en gran parte de los accidentes sin resolver y en los pocos en donde esta causa se reconoce.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de un juego de planos, en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:

La figura número 1.- Muestra una representación esquemática de la deformación estructural de la cubierta de un buque, en la que se aprecian los principales elementos que intervienen en el procedimiento de la invención así como los dispositivos que en él se utilizan.

La figura número 2.- Muestra, igualmente de forma esquemática, las alas de un avión, señalándose así mismo los elementos que aplica el procedimiento según la invención:

Realización preferente de la invención

Las referencias designadas en los dibujos corresponden a las partes indicadas a continuación:

(1)

estructura a medir (línea curva o cubierta del buque curvada) (ala del avión)

(1')

línea horizontal, cubierta del buque sin deformar

(2)

módulos o instrumentos de medida

(A)

punto más alejado a proa

(B)

punto más alejado a popa

(a)

ángulo formado por la horizontal y la tangente de la curva en el punto A

(b)

ángulo formado por la horizontal y la tangente de la curva en el punto B

(f)

longitud de flecha

(1)

punto de intersección de las tangentes

(j)

punto de flecha máxima

(Pa)

plano transversal a la eslora en el punto A

(Pb)

plano transversal a la eslora en el punto B

(s)

ángulo de torsión en el punto A

(t)

ángulo de torsión en el punto B

(C)

punto extremo del ala del avión

(D)

punto extremo opuesto del ala del avión

(E)

punto medio del ala del avión.

Para mejor comprensión del procedimiento que la invención preconiza, se recurre como ejemplo a la estructura de un casco correspondiente a un buque en donde se supone que dicho casco y/o buque se encuentra sobre la ola en situación de máxima deformación por quebranto, según Fig. 1, en donde la línea curva (1), de trazo grueso, cuya longitud es conocida, corresponde a la cubierta del buque deformada, siendo los ángulos (a) y (b) los correspondientes a las tangentes en los puntos (A) y (B) respecto a la horizontal (1') o cubierta sin deformar, en que dichos puntos (A) y (B) son los extremos practicables más alejados de proa y popa donde se sitúan los módulos o instrumentos de medida (2).

Parte del procedimiento consiste en la medida de estos dos ángulos (a) y (b) para, en este caso, determinar la flecha (f), o rango de deformación, del casco en sentido longitudinal y por tanto su resistencia o fatiga de trabajo longitudinal de acuerdo con las fórmulas o análisis matemáticos dentro del campo de la Resistencia de Materiales.

También, mediante este procedimiento se obtiene la situación o punto (j) donde la flecha o deformación (f) de la estructura es máxima, el cual será dado por la recta que, pasando por el punto (1), es perpendicular a la línea recta que une los extremos (A) y (B) de la cubierta (1') siendo dicho punto (i) obtenido por la intersección de las prolongaciones de las tangentes en los puntos (A) y (B).

Esta explicación es igualmente válida para la situación de arrufo.

Por otra parte, respecto a la segunda medida de los ángulos (t) y (s) de torsión, el procedimiento es más simple, solo que dichos ángulos de giro se miden en el plano transversal a la eslora en los puntos (A) y (B) en la situación de torsión. Los planos transversales en la línea (1), se pueden interpretar como mamparos imaginarios. En este caso, la suma de los ángulos (t) y (s), será el ángulo a considerar para el cálculo de la fatiga cortante. El valor de este ángulo se obtiene por la diferencia de los valores absolutos de los ángulos medidos en (A) y (B).

Por su parte, los módulos (2) o contenedores de medida, representados esquemáticamente en las figuras, estarán formados básicamente por dos niveles de precisión, uno en sentido longitudinal y otro en el sentido transversal para la medida de los ángulos respectivos y del punto de máxima flecha o fatiga longitudinal.

Dichos niveles se graduarán de forma que las medidas o valores absolutos sean iguales en la situación de no deformación de la estructura.

Si bien este procedimiento de medida es matemáticamente preciso con el uso de dos módulos (2), su aplicación, según el número y tipo de módulos, hace que tanto su precisión como aplicación pueda ser aún más amplia, y para su explicación se exponen dos nuevos ejemplos a modo de realización del procedimiento, para los que se recurre como ejemplo de estructura dinámica al ala de un avión (1) según la Fig. 2:

- Para un primer ejemplo, se situaría un tercer módulo (2) en el punto (E) coincidente por ejemplo con el centro de gravedad del avión, lo cual nos daría la medida de la inclinación media lateral del avión en su totalidad al girar, lo que a su vez nos permitirá conocer de manera más precisa el comportamiento o fatigas del ala para esa inclinación o condición de vuelo, al medir los valores de los ángulos obtenidos por los módulos (2), situados en los puntos extremos de las alas (C) y (D), respecto al valor medio del ángulo de inclinación del avión en su totalidad en el punto (E).

- En un segundo ejemplo utilizaremos el mismo módulo básico (2) al cual le añadiremos dos nuevos niveles (longitudinal y transversal) de distinto tipo. Por ejemplo, si los niveles básicos de medida de los ángulos son del tipo solidario, los dos nuevos niveles serán del tipo automático, que son aquellos que mantienen su horizontalidad y/o verticalidad; de tal forma que el ángulo de giro o deformación se medirá también respectó a la horizontal y/o vertical. Este tipo de módulo (2) es particularmente preciso a la hora de determinar el ángulo de torsión en distintos puntos del ala, para lo cual se utilizaría un número determinado de módulos (2) situados convenientemente a lo largo del ala, como puede ser la zona de los motores, tren de aterrizaje, etc.

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan, haciendo constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims (6)

1. Procedimiento de medida de la resistencia y fatiga en estructuras dinámicas, sometidas a deformación, que, de acuerdo con las fórmulas y análisis matemáticos aplicados dentro del campo de la resistencia de materiales, permite averiguar de manera precisa y exacta la capacidad de resistencia y fatiga de dicho tipo de estructuras, caracterizado por el hecho de consistir en calcular los ángulos de deformación y/o giro longitudinal y transversal de la estructura cuya resistencia y fatiga se pretende conocer, mediante la utilización de un dispositivo de medición configurado a partir de uno o más módulos; en que, tomando como ejemplo de estructura la de un buque, que se encuentra sobre la ola en situación de máxima deformación por quebranto, en donde la línea curva, corresponde a la cubierta del buque deformada, cuya longitud es conocida, mediante la colocación de sendos módulos en los extremos de proa y popa, se obtienen:

- los ángulos correspondientes a las tangentes en dichos puntos respecto a la horizontal o cubierta sin deformar, permitiendo determinar la flecha o rango de deformación, del casco en sentido longitudinal y por tanto su resistencia o fatiga de trabajo longitudinal;

- la situación o punto donde la flecha o deformación de la estructura es máxima, obtenida por la recta que, pasando por el punto de intersección de las tangentes de los descritos puntos extremos, es perpendicular a la línea recta que los une;

- y la medida de los ángulos de torsión, en que dichos ángulos de giro se miden en el plano transversal a la eslora del mencionado buque, tomado como ejemplo de estructura a medir, en los puntos extremos de proa y popa en la situación de torsión; en que los planos transversales en la cubierta se pueden interpretar como mamparos imaginarios, siendo la suma de los ángulos de cada uno, el ángulo a considerar para el cálculo de la fatiga cortante; y en que el valor de este ángulo se obtiene por la diferencia de los valores absolutos de los ángulos medidos en los puntos extremos de proa y popa.

2. Dispositivo de medición para la puesta en práctica del procedimiento de medida de la resistencia y fatiga en estructuras dinámicas, sometidas a deformación, según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que está configurado a partir uno o más módulos aptos para la medición de los descritos ángulos, los cuales se configuran como contenedores herméticos y anticolisión, comprendiendo alojados en su interior dos niveles de precisión dispuestos, uno en sentido longitudinal, respecto a la estructura a medir, y otro en sentido transversal.

3. Dispositivo de medición para la puesta en práctica del procedimiento de medida de la resistencia y fatiga en estructuras dinámicas, sometidas a deformación, según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que los niveles de precisión que incorporan los módulos pueden ser de tipo solidario a la estructura o de tipo automático.

4. Dispositivo de medición para la puesta en práctica del procedimiento de medida de la resistencia y fatiga en estructuras dinámicas, sometidas a deformación, según las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado por el hecho de que opcionalmente los módulos incorporan un sistema antivibración o aislador de vibraciones.

5. Dispositivo de medición para la puesta en práctica del procedimiento de medida de la resistencia y fatiga en estructuras dinámicas, sometidas a deformación, según las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado por el hecho de que opcionalmente los módulos incorporan un receptor-transmisor de datos por ondas radioeléctricas con baterías recargables así como un sistema de detección por emisión de señales radioeléctricas para su localización.

6. Dispositivo de medición para la puesta en práctica del procedimiento de medida de la resistencia y fatiga en estructuras dinámicas, sometidas a deformación, según las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado por el hecho de que opcionalmente los módulos incorporan sistema de grabación de datos con reloj y/o cronómetro de precisión para el análisis de dichos datos, pudiendo realizarse dichas mediciones por sensores conectados al módulo pero fijados de forma independiente a la estructura en puntos sensibles.