Nuevos horizontes para el análisis de las vibraciones de estructuras de ingeniería
Las vibraciones son normales en muchas estructuras artificiales flexibles. En la mayoría de los casos, no son bienvenidas pues consumen energía, provocan fatiga y crean ruidos. Todas las vibraciones son inherentemente no lineales por naturaleza, lo que implica que la vibración no es proporcional a la fuerza que la provoca. No obstante, los fenómenos no lineales suelen pasar desapercibidos para la industria debido a que la comunidad científica no dispone de una metodología específica para abordarlos adecuadamente. Por esta razón, se suele optar por métodos lineales que simplifican el comportamiento del sistema, hacen que sea predecible y fácil de gestionar.
Fenómenos no lineales sin recíprocos lineales
Los métodos lineales han contribuido al desarrollo de técnicas y herramientas que permiten resolver distintos retos de ingeniería complejos. No obstante, «La querencia por estructuras más ligeras, flexibles, respetuosas con el medio ambiente y baratas invita a los ingenieros a generar diseños innovadores y, más importante, reducir los márgenes de seguridad», explica Gaëtan Kerschen, profesor de ingeniería aeroespacial del Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de la Universidad de Lieja (Bélgica). Este tipo de estructuras son propensas al comportamiento no lineal cuando se tensan o rotan. «La fricción desigual entre elementos distintos de una batería o entre los álabes de un rotor y el bloque de un motor puede producir dinámicas no lineales exageradas (vibraciones) en automóviles eléctricos y aeronaves respectivamente», añade Kerschen. En general, la no linealidad podría generar fenómenos dinámicos complejos como interacciones modales, bifurcaciones o caos. De este modo cabe esperar que cualquier intento por aplicar técnicas lineales tradicionales para conocer las dinámicas pertinentes esté abocado al fracaso.
Resolución de escollos fundamentales en el diseño de estructuras de ingeniería seguras
El proyecto financiado con fondos europeos NI2D se basó en los logros de un proyecto distinto para generar el primer software capaz de medir con precisión vibraciones no lineales en estructuras artificiales y se propone comercializar la tecnología propuesta. «Nuestro software ayuda a que ingenieros de pruebas y simulaciones evalúen la importancia de los fenómenos no lineales presentes en estructuras mediante el análisis innovador de datos de pruebas tradicionales», explica Kerschen. Los ingenieros pueden así identificar la fuente de vibraciones no lineales y crear así modelos nuevos que describan este comportamiento con fines de diseño. A lo que añade: «La no linealidad pasa así de ser un fenómeno desconocido y potencialmente peligroso a un suceso dinámico aceptable, predecible y conocido en profundidad. De este modo, los ingenieros pueden lograr que sus diseños alcancen nuevas cotas sin miedo a los comportamientos no lineales». La singularidad de NI2D radica en que es capaz de adoptar modelos de elementos finitos y de series temporales. A diferencia de otros paquetes de software comerciales, permite actualizar modelos no lineales y ejecutar análisis modales (el estudio de las propiedades dinámicas de sistemas en el dominio de la frecuencia). La combinación de respuestas temporales no lineales, modos de vibración, frecuencias de resonancia y bifurcaciones ofrece una idea clara e inmediata de la influencia de las no linealidades sobre las propiedades dinámicas de la estructura a fin de realizar predicciones sobre la misma.
Un gran número de ventajas
Las no linealidades pueden poner en peligro la integridad estructural y el rendimiento de los productos. El riesgo mayor radica en que el desarrollo de productos se detiene si los requisitos de certificación no son los necesarios (como en el caso de los satélites). En cuanto a componentes aeroespaciales y automovilísticos, el mayor desgaste provocado por las no linealidades aumenta los costes de mantenimiento y repercute sobre el medio ambiente. Gracias a NI2D es posible evaluar el impacto de las no linealidades en una fase inicial de diseño y que las empresas cuenten con modelos de alta fidelidad de las conexiones no lineales de su estructura. Además, NI2D reduce considerablemente la duración de las fases de pruebas y el tiempo necesario para comercializar un producto. Tal y como concluye Kerschen: «NI2D ofrece un conjunto pleno de interacciones no lineales y así acelera la validación de diseños nuevos prometedores que eliminen la necesidad de acudir a diseños conservadores».
Palabras clave
NI2D, estructuras artificiales, vibración no lineal, análisis de vibraciones, automóvil, aeronave, satélite
