Simulación numérica del proceso de infusión de resina asistido por vacío en la fabricación de palas de turbinas eólicas

Abstract

El proceso de infusión de resina asistido por vacío se emplea en la fabricación de materiales compuestos dirigidos a la producción de grandes piezas, tales como las palas de turbinas eólicas. La simulación numérica es una herramienta esencial para el correcto diseño y optimización del proceso de fabricación de piezas de material compuesto con formas tridimensionales complejas. En el presente trabajo, se ha desarrollado una modelización numérica tridimensional multifásica, bajo condiciones no estacionarias, del proceso de infusión asistido por vacío para la fabricación de materiales compuestos. La modelización considera cada capa del laminado que compone el material de refuerzo, así como su orientación según la secuencia de apilamiento. La modelización ha sido validada por comparación con datos experimentales. Los resultados numéricos permiten estudiar la evolución durante el proceso del flujo de resina a través de la preforma de material de refuerzo, el flujo másico de entrada, los contornos de presión y vectores de velocidad en cada capa del laminado y predecir la posible presencia de zonas no impregnadas tras finalizar el proceso. El proceso de infusión ha sido estudiado en diferentes piezas de material compuesto monolítico y tipo sándwich. En primer lugar, se ha analizado la influencia de los valores de permeabilidad del medio de distribución y de las capas de fibra del laminado sobre la evolución de la infusión de resina en materiales compuestos monolíticos. La evolución del frente esta principalmente gobernada por la permeabilidad del medio de distribución en la dirección principal del avance del flujo de resina y la permeabilidad de las capas del laminado según la dirección del espesor de la pieza. En segundo lugar, se ha simulado el proceso de infusión para la fabricación de materiales compuestos tipo sándwich, integrados por un laminado de fibra y un núcleo perforado, estudiando el flujo a través de las perforaciones del núcleo y determinando la influencia sobre el mismo de los valores de permeabilidad de las telas que componen el laminado. Con objeto de reducir el coste computacional del cálculo numérico, se ha desarrollado una función de trasferencia capaz de calcular el flujo másico a través de las perforaciones del núcleo, que ha sido integrada en el código numérico mediante subrutinas computacionales. Finalmente, la modelización numérica desarrollada se ha empleado para simular el proceso de infusión de vacío de una pieza de material compuesto, con una geometría y estructura similar a la de una pala de turbina eólica, en la cual el flujo a través de las perforaciones del núcleo ha sido simulado mediante dichas subrutinas computacionales. La modelización numérica desarrollada permite estudiar y optimizar el diseño del proceso de infusión de vacío para la fabricación de materiales compuestos y es especialmente interesante para el estudio del flujo de resina a través de laminados conformados por capas con diferencias significativas en sus valores de permeabilidad o porosidad. Por otro lado, la modelización permite analizar detalladamente la influencia de efectos locales que combinen flujos a través de medios porosos y flujos en lámina libre, como es el efecto de race-tracking en el borde del laminado. Además, las subrutinas computacionales desarrolladas permiten determinar con un bajo coste computacional la influencia del diseño del patrón de perforación de los núcleos empleados en la fabricación de materiales compuestos tipo sándwich, mediante el simple cambio en el código de programación de las coordenadas que indican la posición de dichas perforaciones y pueden ser empleadas en la modelización de otros sistemas de fluidos que incorpore haces de tubos, siempre y cuando dicho el flujo a través de los conductos pueda ser modelado matemáticamente en función de las condiciones en la entrada y la salida de los mismos. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/