Isogrid es un tipo de estructura parcialmente ahuecada formada generalmente a partir de una sola placa de metal (o lámina frontal) con nervaduras de refuerzo integrales triangulares (a menudo llamadas largueros). Fue patentado por McDonnell Douglas (ahora parte de Boeing ). [1] Es extremadamente ligero y rígido. [2] Comparado con otros materiales, es caro de fabricar, por lo que está restringido a aplicaciones de vuelos espaciales y algunas partes particularmente críticas de uso aeroespacial más general.
Teoría y diseño
Las estructuras de isogrid están relacionadas con paneles compuestos estructurados en sándwich ; ambos pueden modelarse utilizando la teoría de sándwich , que describe estructuras con caras rígidas separadas y una capa de interconexión más ligera. Las isogrids se fabrican a partir de láminas de material individuales y con aberturas triangulares a gran escala, y un patrón abierto a las bridas , en comparación con láminas cerradas y estructuras de espuma o panal para las estructuras compuestas sándwich.
Las estructuras de isogrid están constituidas por una fina piel reforzada con una estructura de celosía. Estas estructuras se adoptan en la industria aeronáutica ya que presentan tanto resistencia estructural como ligereza. [4]
El patrón triangular es muy eficiente porque conserva la rigidez al mismo tiempo que ahorra material y, por lo tanto, peso. El término isogrid se utiliza porque la estructura actúa como un material isotrópico , con iguales propiedades medidas en cualquier dirección, y rejilla, refiriéndose a la estructura de la hoja y los refuerzos.
Una variante similar es la Orthogrid (a veces llamada cuadrícula de gofres ), que usa aberturas rectangulares en lugar de triangulares. Esto no es isotrópico (tiene diferentes propiedades desde diferentes ángulos), pero se adapta bien a muchos casos de uso y es más fácil de fabricar.
Tradicionalmente, se utilizó el patrón de triángulo equilátero porque era susceptible de análisis simplificado. [5] [6] Dado que el patrón de triángulo equilátero tiene características de fuerza isotrópica (sin dirección preferencial), se le denominó rejilla iso . [5]
Fabricación
Los refuerzos de una isomalla generalmente se mecanizan a partir de una cara de una sola hoja de material, como el aluminio, con una fresadora CNC. Un espesor de menos de 0,040 pulg. (1,0 milímetro ) puede requerir procesos de fresado químico . [7]
Las isomallas compuestas son configuraciones de piel de nervadura, en las que al menos una parte de la nervadura es un material diferente de la piel, el compuesto ensamblado mediante varios procesos manuales o automatizados. [8] Esto puede dar lugar a relaciones resistencia-peso extremadamente altas. [9]
Usos
Los paneles Isogrid forman estructuras auto-rigidizadas donde el bajo peso, la rigidez, la resistencia y la tolerancia al daño son importantes, como en aviones o vehículos espaciales. Las estructuras de isomallas aeroespaciales incluyen protectores de carga útil y propulsores, que deben soportar todo el peso de las etapas superiores y cargas útiles bajo cargas G elevadas. Su configuración abierta con una sola hoja sellada hacia el exterior los hace especialmente útiles para tanques de propulsor para cohetes, donde sellar el propulsor, pero permitir que drene en uso o mantenimiento son características necesarias.
Algunas naves espaciales y vehículos de lanzamiento que utilizan estructuras de isogrid incluyen:
- Familias delta [5] [10]
- Familias Atlas [11]
- Módulo de taller orbital de la estación espacial Skylab [5]
- Etapa central SLS [12]
- CST-100 Starliner [13]
- Dragón de la tripulación de Spacex
- En los tanques del cohete Saturno se utilizaron ortogrids (rejillas tipo waffle con un patrón cuadrado) debido al menor costo y la facilidad de fabricación [14]
- También se planean ortogrids para el cohete Vulcan . [15]
Referencias
- ^ Huybrechts, Steven M .; Hahn, Steven E .; Meink, Troy E. (5 al 9 de julio de 1999). ESTRUCTURAS REFUERZADAS EN RED: UNA ENCUESTA DE MÉTODOS DE FABRICACIÓN, ANÁLISIS Y DISEÑO (PDF) . Actas de la Conferencia Internacional de Materiales Compuestos de 1999. París, Francia . Consultado el 10 de enero de 2020 .
McDonnell-Douglas Corporation (ahora parte de The Boeing Company) posee los derechos de patente para el desarrollo de la primera isomalla de aluminio
- ^ Negro, Jonathan T. (2006). NUEVOS PANELES RÍGIDOS ULTRA LIGEROS PARA APERTURAS ESPACIALES (PhD). Tesis de Doctorado de la Universidad de Kentucky . Consultado el 10 de enero de 2020 .
- ^ Patente estadounidense 4012549 , Paul Slysh, "Estructura compuesta de alta resistencia", publicada el 10 de octubre de 1974, publicada el 15 de marzo de 1977
- ^ Sorrentino, L .; Marchetti, M .; Bellini, C .; Delfini, A .; Albano, M. (20 de mayo de 2016). "Diseño y fabricación de una estructura de isogrid en material compuesto: Resultados numéricos y experimentales". Estructuras compuestas . 143 : 189-201. doi : 10.1016 / j.compstruct.2016.02.043 . ISSN 0263-8223 .
- ^ a b c d McDonnell Douglas Astronautics Company (febrero de 1973). Manual de diseño de Isogrid (PDF) (Informe técnico). NASA. pag. 1.0.002 (12/252). NASA CR-124075 . Consultado el 10 de enero de 2020 .
- ^ Meyer, R. R; Harwood, OP (1 de octubre de 1973) [1973]. Manual de diseño de Isogrid . Centro Marshall de Vuelos Espaciales. 19730000395.
- ^ Slysh, Paul. "La Isogrid" . Archivado desde el original el 24 de marzo de 2012 . Consultado el 27 de mayo de 2011 .
- ^ Huybrechts, Steven; Troy E. Meink; Peter M. Wegner; Jeff M. Ganley (2002). "Teoría de fabricación para estructuras reforzadas de rejilla avanzada" . Compuestos Parte A: Ciencia aplicada y fabricación . Elsevier. 33 (2): 155-161. doi : 10.1016 / S1359-835X (01) 00113-0 . Consultado el 26 de mayo de 2012 .
- ^ Wegner, Peter M .; Higgins, John E .; VanWest, Barry P. (2002). "Aplicación de la tecnología avanzada de estructuras reforzadas con cuadrícula al carenado Minotaur Payload" . 43a Conferencia de Estructuras, Dinámica Estructural y Materiales AIAA / ASME / ASCE / AHS / ASC . Denver, CO.
- ^ Knighton, DJ (1 de septiembre de 1972) [1972], análisis NASTRAN de estructura de isogrid del vehículo de lanzamiento Delta , Goddard Space Flight Center, hdl : 2060/19720025227 , archivado desde el original el 11 de junio de 2007
- ^ "Serie Atlas V 500" (PDF) . United Launch Alliance. Archivado desde el original (PDF) el 9 de abril de 2016 . Consultado el 6 de junio de 2016 .
- ^ Kyle, Ed (26 de enero de 2014). "Progreso en el sistema de lanzamiento espacial de la NASA y Orion" . Informe de lanzamiento espacial . Consultado el 10 de enero de 2020 .
El núcleo SLS de Boeing utilizará aluminio AL-2219 mecanizado con isomallas
- ^ Young, Anthony (23 de junio de 2014). "Boeing muestra el progreso de CST-100 en el Centro Espacial Kennedy" . The Space Review . SpaceNews . Consultado el 25 de octubre de 2017 .
- ^ Wagner, WA (1 de mayo de 1974) [1974], Tanques de metal líquido para cohetes y componentes de tanques (PDF) , Centro de investigación Lewis de la NASA, págs. 55–58, hdl : 2060/19750004950 , archivado desde el original el 22 de noviembre de 1995
- ^ Bruno, Tory [@torybruno] (20 de abril de 2017). "Panel de prueba Orthogrid para tanque propulsor Vulcan Rocket. (Más grande de lo que parece ...)" (Tweet) . Consultado el 10 de enero de 2020 a través de Twitter .
enlaces externos
- Modelado de placas de isogrid, caso del Dr. Wiliam, 1997
- Manual de diseño de Isogrid, NASA CR-124075, McDonnell Douglas, 1973
- Estructuras compuestas reforzadas con rejilla avanzada
- Isogrid - Herramientas de estructuras de shell, 1990
- Quarter Isogrid utilizado en la construcción de tablas de surf