Tesis:
Modelización generalizada de resortes espirales a torsión. Aplicación en almacenamiento de energía.
- Autor: FERNANDEZ CABALLERO, Daniel
- Título: Modelización generalizada de resortes espirales a torsión. Aplicación en almacenamiento de energía.
- Fecha: 2012
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA MECANICA Y DE FABRICACION
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/10499/
- Director/a 1º: MUÑOZ GUIJOSA, Juan Manuel
- Resumen: Las necesidades energéticas actuales requieren una transformación de las técnicas eficaces en eficientes tanto en producción, transporte como consumo energético. Estas necesidades han impulsado nuevos desarrollos en el ámbito energético, entre los que se encuentran los sistemas de almacenamiento de energía. El avance en ingeniería de materiales hace pensar en la posibilidad del almacenamiento mediante deformación elástica de resortes espirales a torsión. Para ello es necesario estudiar metodológicamente en profundidad este tipo de resortes, así como las posibles vías de optimizar sus características. Hasta la fecha han sido escasos los desarrollos al respecto. Se realiza un análisis de los resorte espiral a torsión, como el elemento constitutivo básico del sistema de almacenamiento; estudiando los diferentes factores de influencia sobre su curva de comportamiento: longitud del fleje, geometría de la espiral de fabricación, variación de la rigidez a flexión a lo largo de la longitud, características de la sección resistente del fleje, espesor del fleje... La selección correcta de dichos parámetros posibilita modular la relación entre el par y el ángulo girado, permitiendo obtener curvas características tanto de baja como de alta variabilidad del par. Se plantea el procedimiento general de diseño en función de la curva de par requerida y de las restricciones establecidas, para cualquier tipo de resorte espiral a torsión, así como uno específico para los resortes clotoidales. Se establece un procedimiento para el caso de tener como variable de diseño el espesor del fleje, comprobándose la coherencia entre ambos en el límite de validez. El procedimiento se ve complementado con un análisis energético del resorte tanto en reposo como en el proceso de deformación con el par aplicado. Existe un caso de estudio particular, los resortes cuya curva generatriz es una espiral clotoidal (curvatura dependiente de la longitud) con variación del módulo resistente a flexión a lo largo de la longitud de forma inversamente proporcional a la misma. La importancia de este caso radica en la posibilidad de realizar un estudio analítico de su comportamiento, tanto de la curva característica par - ángulo girado, como de la influencia de parámetros de diseño, tensiones en el fleje, condiciones de resistencia o bloqueo de espiras. El planteamiento y estudio, requiere de la validación experimental. Se diseñan dos resortes espirales a torsión, uno de baja variabilidad del par, con variación de la rigidez a flexión a lo largo de la longitud y otro de alta variabilidad del par y rigidez a flexión constante. Ambos resortes son fabricados en fibra de vidrio con matriz epoxy debido a su alta tensión admisible respecto al módulo elástico y su baja densidad (alta capacidad de almacenamiento de energía). Para ambos casos se realiza tanto el diseño de la instalación como del plan de ensayos y sistemas de adquisición de datos. Los ensayos llevados a cabo indican la alta correlación entre el modelo teórico y el experimental, aunque dejan patente la necesidad de tener en cuenta el espesor del fleje en el modelo y la necesidad de procesos de fabricación que proporcionen unas características geométricas y resistivas con baja variabilidad. El análisis general planteado se complementa con la optimización del resorte, tanto en la sección resistente (como es el caso de sólido de igual resistencia) como de las configuraciones de montaje. Se estudia la influencia de la geometría de la sección resistente y de los materiales empleados. Se analizan las posibles configuraciones serie y/o paralelo así como la optimización de periféricos y dimensiones del sistema. Como futuras líneas de investigación se plantean la validación del modelo energético desarrollado y aumento de la densidad de energía del sistema mediante materiales avanzados o el empleo de secciones resistentes multicomponentes optimizadas.