Comportamiento mecánico de las juntas tipo T-bolt en materiales compuestos gruesos

Abstract

En aquest treball s'ha realitzat una anàlisi de la junta T-bolt aplicada a la unió de laminats gruixuts amb elements metàl·lics. Més concretament, l'estudi es centra en el tipus de juntes T-bolt emprades en la unió entre les pales i la boixa de grans aerogeneradors, que constitueix una de les principals aplicacions d'aquest tipus de junta.<br/><br/>En primer lloc, s'ha realitzat una anàlisi simplificada dels factors que influeixen al comportament de la junta, a partir del qual es justifica la necessitat de realitzar un estudi en profunditat dels estats d'esforços presents al laminat a la proximitats de la junta, i d'estudiar la seva resistència enfront dels diversos modes de trencament possibles.<br/><br/>El següent punt desenvolupat és l'anàlisi d'esforços al laminat, per la qual cosa s'ha emprat un model tridimensional d'elements finits de la junta. Primerament, s'han analitzat els esforços per una geometria típica sota tres situacions de càrrega diferents, i s'ha determinat l'evolució de l'àrea de contacte entre el buló i el laminat. A continuació s'ha realitzat una comparació entre la distribució d'esforços de la T-bolt i la que presenten les juntes amb encavalcament. Finalment, s'ha analitzat la influencia de la curvatura del laminat en els resultats.<br/><br/>Per a la determinació de la resistència del laminat a la zona de la junta, un dels obstacles principals consisteix en que, als dissenys normals de la T-bolt, el pern trenca molt abans que s'assoleixi la càrrega de trencament del laminat en algun dels seus modes possibles. Per aquest motiu s'ha hagut de dissenyar un utillatge especial que permetés introduir les càrregues necessàries. S'han realitzat assaigs per dos materials diferents, forçant per cada un d'ells el trencament en tensió neta i compressió local.<br/><br/>Finalment, s'ha demostrat que és possible realitzar una predicció força acurada de la càrrega de trencament del laminat de la T-bolt, emprant com a dades de partida, per una banda, les càrregues de trencament a tensió neta i compressió local del laminat i, per l'altra, les distribucions d'esforços de la junta que es vol analitzar i de la proveta emprada per estimar els paràmetres anteriors.<br/><br/>S'observa que el marge de seguretat per al trencament del laminat a les juntes T-bolt emprades actualment a la indústria eòlica és molt elevat (entre 3.5 i 5), el que indica que hi ha un cert marge per a la optimització de l'espessor del laminat, sempre que es consideri admissible l'aparició d'esquerdes a la matriu.

En el presente trabajo, se ha realizado un análisis de la junta T-bolt aplicada a la unión de laminados gruesos con elementos metálicos. Más concretamente, el estudio se centra en el tipo de juntas T-bolt utilizadas en la unión entre las palas y el buje de aerogeneradores de gran tamaño, que constituyen una de las principales aplicaciones de este tipo de juntas.<br/><br/>En primer lugar, se ha realizado un análisis paramétrico simplificado de los diferentes factores que influyen en el comportamiento de la junta, a partir del cual se justifica la necesidad de realizar un estudio en profundidad de los estados de esfuerzos presentes en el laminado en las proximidades de la junta, y de estudiar su resistencia frente a los distintos modos de fallo posibles.<br/><br/>El siguiente punto desarrollado es el análisis de esfuerzos en el laminado, para lo cual se ha utilizado un modelo tridimensional de elementos finitos de la junta. En primer lugar se han analizado los esfuerzos para una geometría típica bajo tres situaciones de carga distintas, y se ha determinado la evolución del área de contacto entre el bulón y el laminado. A continuación se ha realizado una comparación entre la distribución de esfuerzos de la T-bolt y la que presentan las juntas a solape. Finalmente, se ha analizado la influencia de la curvatura del laminado en los resultados.<br/><br/>Para la determinación de la resistencia del laminado en la zona de la junta, uno de los obstáculos principales consiste en que, en los diseños típicos de la T-bolt, el vástago rompe mucho antes de que se alcance la carga de rotura del laminado en alguno de sus distintos modos. Por este motivo, se ha tenido que diseñar un utillaje especial que permitiera la introducción de las cargas necesarias. Se han realizado ensayos para dos materiales distintos, forzando, para cada uno de ellos, el fallo en tensión neta y compresión local.<br/><br/>Finalmente, se ha demostrado que es posible predecir, con una buena aproximación, la carga de rotura del laminado de la T-bolt, utilizando como datos de partida las cargas de rotura del laminado en tensión neta y compresión local, y las distribuciones de esfuerzos de la junta a analizar y de la probeta utilizada para estimar los parámetros anteriores.<br/><br/>Se observa que los márgenes de seguridad respecto al fallo del laminado en las juntas T-bolt utilizadas actualmente en la industria eólica es muy elevado (entre 3.5 y 5), lo que indica que existe un cierto margen para la optimización del espesor del laminado, siempre que se considere admisible la aparición de grietas en la matriz.

An analysis of the T-bolt joint, applied to the joining of thick laminates with metallic parts, has been carried out. The study is particularly focused on the kind of T-bolt joints used in the blade root - hub attachments of large wind turbines, which is one of the major applications of these joints.<br/><br/>First, a simplified analysis of the factors affecting the joint behavior has been performed. From this simple analysis, it has been shown the necessity of in-depth studies of both the stress states of the laminate in the vicinity of the joint, and the strength of the laminate for its different failure modes.<br/><br/>The next point that has been developed is the stress analysis of the laminate, which has been performed by means of a three-dimensional finite element model of the joint. First of all, the stresses and strains of a typical joint geometry under three different load situations have been calculated, and the evolution of the contact area between the nut and the laminate has been estimated. Next, a comparison between the stress states of the T-bolt joint and those of a double-lap joint has been carried out. Finally, the influence of the laminate curvature on the stress distributions has been evaluated.<br/><br/>One of the main obstacles to the determination of the strength of the laminate in the joint zone is that, in the usual T-bolt designs, the stud fails far before the laminate has reached any of its ultimate loads. Therefore, special fixtures have been designed that are able to transfer the necessary loads to the joint. Tests have been performed using specimens made of two different laminates which have been designed to fail either in the net tension or the bearing mode.<br/><br/>Finally, it has been shown that it is possible to accurately predict the laminate failure load using as input data, on one hand, the net tension and bearing strengths of the laminate, and, on the other, the stress distributions of both the T-bolt and the test specimen used in the estimation of the laminate strengths. <br/><br/>It has been also shown that the safety factors against the laminate failure in a typical T-bolt design used nowadays in the wind turbine industry is quite high (between 3.5 and 5), which shows that there is still some margin for the optimization of the laminate thickness, providing that the presence of some matrix cracks is allowed.