Optimización de materiales compuestos laminados

En el diseño de componentes fabricados con materiales compuestos, la optimización es un aspecto fundamental por diversos motivos.

En primer lugar, los materiales utilizados tienen un elevado coste unitario. La tecnología de fabricación más extendida —el laminado manual con curado en autoclave— implica tiempos de producción y, por tanto, costes directamente proporcionales a la cantidad de material empleado. Reducir dicha cantidad permite, por consiguiente, disminuir el coste del componente.

En muchos casos, los materiales compuestos se utilizan en aplicaciones en las que es fundamental minimizar el peso del componente y, al mismo tiempo, cumplir los requisitos de resistencia y rigidez. Por ello, la optimización del dimensionamiento del laminado resulta imprescindible.

Por estos motivos, se recurre ampliamente al análisis por elementos finitos (FEM) para desarrollar diseños que ofrezcan altas prestaciones y sean económicamente viables.

La tecnología de fabricación actual mediante hand lay-up es un proceso manual que requiere un estudio de viabilidad exhaustivo, con el fin de garantizar que las capas de material compuesto puedan colocarse efectivamente sobre el molde, respetando los métodos de aplicación y las orientaciones de las fibras de refuerzo definidos durante la fase de dimensionamiento.

Los materiales compuestos ofrecen una gran libertad de diseño.

La elección del tipo de refuerzo (fibra de carbono, vidrio, Kevlar, etc., en forma de tejido o unidireccional, con diferentes niveles de prestaciones y costes), el espesor individual de las láminas, la orientación de las fibras y la secuencia de laminación constituyen un amplio abanico de posibilidades para obtener las prestaciones mecánicas deseadas.

Precisamente, el elevado número de opciones y variables disponibles hace que la optimización del diseño resulte muy compleja cuando se lleva a cabo mediante los métodos tradicionales de prueba y error (trial and error), incluso cuando estos cuentan con el apoyo de simulaciones FEM.

A menudo, los componentes de material compuesto deben cumplir múltiples requisitos de diseño relacionados con la resistencia, la rigidez y el peso, que suelen entrar en conflicto entre sí. El reto consiste en definir una laminación que permita alcanzar todos los objetivos de rendimiento establecidos, respetando al mismo tiempo las restricciones de peso y coste.

A esta complejidad se añade otro factor importante: la necesidad de respetar las restricciones de fabricabilidad, entre las que destacan las relacionadas con la geometría de las capas (plies).

Por tanto, el diseño optimizado también debe tener en cuenta estas restricciones tecnológicas para garantizar que el componente sea viable tanto desde el punto de vista de la fabricación como desde el económico.

En general, es posible optimizar el diseño de una estructura de material compuesto laminado mediante distintos enfoques, desde uno completamente manual hasta otro totalmente automático, pasando por diversas soluciones intermedias. El flujo de trabajo de ambos métodos de optimización se muestra en la Figura 1, donde se aprecian claramente sus similitudes.

El punto de partida de ambos métodos es el modelo de elementos finitos de la estructura, en el que se ha definido una secuencia de laminación inicial que se somete a las condiciones de carga y contorno. A partir de ahí, se establece un ciclo en el que, en cada iteración, se modifica la secuencia de laminación en función de los resultados estructurales, hasta alcanzar el dimensionamiento deseado.

La diferencia fundamental entre ambos enfoques radica en que, en la optimización manual, la experiencia y la intuición del analista son esenciales para orientar el diseño en cada iteración. Al tratarse de un proceso manual, el tiempo necesario para cada iteración es considerable, lo que limita en la práctica el número de iteraciones que pueden estudiarse antes de alcanzar el diseño óptimo.

En cambio, en la optimización automática, la principal limitación histórica de la tecnología numérica ha sido la falta de una forma de «experiencia» en el software que le permita generar secuencias de laminación no solo con buenas prestaciones, sino también relativamente sencillas de fabricar.

A lo largo de los años, se han implementado diversos algoritmos en los programas de elementos finitos para ayudar al diseñador a definir una secuencia de laminación optimizada capaz de cumplir los requisitos establecidos.

Optimización paramétrica

Este es el enfoque disponible, por ejemplo, en SOL 200 de Simcenter Nastran.

En este método, el analista define de antemano la geometría de las láminas mediante las tarjetas PCOMP. Por tanto, la geometría permanece invariable durante el proceso de optimización. Los parámetros objeto de estudio pueden ser, por ejemplo, el espesor de las láminas, la orientación de las fibras y los módulos de elasticidad de los materiales.

En la Figura 2 se muestra un ejemplo de optimización paramétrica.

Optimización topológica Freesize

Este enfoque es similar a la optimización paramétrica, pero permite determinar una distribución continua del espesor local. El punto de partida de este análisis es la optimización topológica.

En la Figura 3 se muestra un ejemplo de optimización topológica Freesize.

Optimización topológica Size

Este método constituye una etapa posterior a la optimización Freesize, a partir de la cual se obtiene la geometría de las capas (plies) candidatas. La optimización topológica Size permite definir criterios para establecer restricciones en los espesores de las capas (por ejemplo, valores discretos) y del laminado en su conjunto.

En la Figura 4 se muestra un ejemplo de optimización topológica Size.

Optimización basada en capas (Ply-Based)

La optimización Ply-Based combina aspectos de las técnicas anteriores: control manual, posibilidad de optimización paramétrica y capacidad para determinar la geometría de las capas con distintos grados de restricción definidos por el usuario.

En la Figura 5 se muestra un ejemplo de optimización Ply-Based.

Esta tecnología constituye la base del software OptiAssist, desarrollado por GRM Consulting. OptiAssist es una interfaz de usuario que ayuda al analista FEM a configurar sus estudios de optimización estructural de laminados y a controlar los solvers Genesis y SOL 200 de Simcenter Nastran.

La optimización de un laminado con OptiAssist es un proceso que consta de tres fases principales.

Generación del laminado candidato

En primer lugar, se importa o se crea un laminado base compuesto por capas (plies) candidatas a la optimización, sobre la malla de elementos finitos que constituye el punto de partida del estudio.

Esta fase puede llevarse a cabo directamente desde la interfaz de OptiAssist o importando desde una herramienta externa el laminado en formato PCOMPG. Para ello, se pueden utilizar tanto herramientas específicas para materiales compuestos, como Laminate Tools, Fibersim o Catia CPD, como programas FEM tradicionales, como HyperMesh, ANSA, Femap, Simcenter 3D, etc.

Optimización estructural

Una vez definido el laminado candidato, es posible optimizar el número y la forma (topometría) de las capas de material compuesto mediante dos estrategias diferentes.

Optimización automática: enfoque «Grid Edge Length Topometry»

Con este enfoque, OptiAssist puede generar automáticamente el contorno de las capas (plies) mediante una lógica de definición de perfiles basada en una cuadrícula predefinida en los ejes X, Y y Z. De este modo, las geometrías de las capas se obtienen combinando distintos conjuntos (patches) de elementos de la propia cuadrícula, tal como se ilustra en la Figura 6.

Optimización semiautomática: enfoque “User Defined Topometry”

Lo que diferencia a OptiAssist de otros programas de optimización estructural para materiales compuestos es la posibilidad de utilizar un enfoque semiautomático mediante la definición de User Patterns. Estos permiten imponer al modelo determinadas regiones geométricas (patches) para mantener el control sobre el proceso de fabricación y facilitar la transferencia directa del diseño optimizado a producción (Figura 7).

Los enfoques descritos anteriormente también pueden combinarse entre sí. A ellos se suele añadir la optimización paramétrica del número de capas y de la orientación de las fibras, con el fin de definir la secuencia de laminación completa. Además, es posible imponer al optimizador restricciones relativas a la simetría del laminado, el espesor total y local, el número máximo de capas consecutivas de un mismo material, etc.

Exportación del layup optimizado

Esta es una fase especialmente crítica, ya que permite transmitir al departamento de producción la información, altamente compleja, generada durante la optimización estructural. En los procesos de optimización FEM, esta etapa suele representar un cuello de botella debido a la complejidad intrínseca de los datos y a la necesidad de convertirlos a un formato —gráfico, CAD, etc.— que pueda utilizarse durante la fabricación del componente.

Con OptiAssist, una vez completado el ciclo de optimización, es posible exportar la información contenida en el modelo FEM para generar los datos de fabricación del laminado. Entre las opciones disponibles se incluyen la creación del PlyBook en formato PowerPoint, la exportación del archivo .layup a Laminate Tools, Fibersim y Catia CPD, y la exportación de la geometría 3D de las capas en formato STL o IGES.

El software OptiAssist para Simcenter 3D fue utilizado por INEOS Team UK para desarrollar la embarcación de la clase America’s Cup que participó en las recientes competiciones celebradas en Nueva Zelanda. OptiAssist se empleó con distintos niveles de detalle para optimizar las principales estructuras y los componentes de la embarcación fabricados en fibra de carbono.

• Global
• Subconjunto
• Componente

Optimización a nivel global: rigidez del casco

Para alcanzar las máximas prestaciones aerodinámicas e hidrodinámicas, es necesario que las formas de las superficies mojadas se aproximen lo máximo posible a las analizadas mediante los programas de dinámica de fluidos.

Las fuerzas transmitidas a través del pie del mástil, la botavara y los puntos de anclaje de los obenques, la quilla y los foils generan deformaciones que deben limitarse para mantener la geometría deseada. Sin embargo, no es posible aumentar la rigidez sin restricciones, ya que añadir material implica aumentar la masa y, por tanto, reducir las prestaciones de la embarcación.

Por este motivo, el estudio se planteó como una optimización destinada a minimizar la masa, imponiendo un límite máximo de deflexión en los puntos de anclaje de los obenques al casco. El objeto de la optimización es, naturalmente, la laminación del casco.

En la Figura 8 se muestran algunos resultados del proceso de optimización, en particular, las distribuciones de los refuerzos unidireccionales dispuestos a lo largo del fondo del casco y de la cubierta. Estas imágenes permiten apreciar la variación progresiva del refuerzo. Se trata de una capacidad que actualmente distingue a OptiAssist y que permite generar laminados fáciles de interpretar y realmente viables desde el punto de vista de la fabricación.

Optimización a nivel de subconjunto: mamparo del pie del mástil

El mamparo del pie del mástil es la estructura primaria situada debajo del mástil. Puede decirse que un velero se construye en torno a ella. De hecho, todas las fuerzas generadas por las velas y equilibradas por la quilla o los foils pasan por este nodo estructural:

• La presión del viento sobre las velas provoca la flexión del mástil, que se ve contrarrestada por los obenques y estayes de popa, proa y la zona del pie del mástil.
• Las cargas de tracción en los obenques y estayes se equilibran mediante un estado de compresión en el mástil.
• Estas cargas generan un momento de vuelco en la embarcación, que se compensa con un momento adrizante producido por la quilla —en las embarcaciones tradicionales— o por el hidroala (hydrofoil).

Todas estas fuerzas convergen en el mamparo del pie del mástil, que, por tanto, está sometido a grandes esfuerzos. Para la optimización, se definieron tres escenarios de carga con distintos objetivos en términos de rigidez y resistencia.

En la Figura 9 se muestran los distintos User Patterns de la estructura nominal utilizados por OptiAssist para la optimización estructural. La Figura 10 presenta la distribución de espesores del diseño optimizado.

OptiAssist fue capaz de generar refuerzos de espesor variable, tanto para las bandas de refuerzo unidireccional como para las zonas con tejido, cumpliendo los requisitos de resistencia y rigidez y minimizando al mismo tiempo el peso total de la estructura.

Optimización a nivel de componente: soportes de la transmisión

El tercer caso de aplicación de OptiAssist es la estructura sobre la que se montan los sistemas de transmisión de los equipos accionados manualmente, como cabrestantes y bombas. El objetivo de la optimización es minimizar la masa de los soportes sometidos a cuatro historias de carga diferentes, cumpliendo los requisitos de resistencia y rigidez.

En la Figura 11 se muestra la evolución de la función objetivo a lo largo de las distintas iteraciones; en este caso, la masa del soporte. Partiendo de un diseño inicial que no cumplía los objetivos de rigidez y resistencia, el optimizador aumentó primero los espesores para satisfacer las restricciones establecidas y, posteriormente, perfeccionó la distribución de espesores para eliminar el material donde no era necesario.

En resumen, ¿qué beneficios ofrece OptiAssist a quienes se dedican al diseño de componentes de materiales compuestos?

Altas prestaciones estructurales en escenarios complejos

En primer lugar, OptiAssist incorpora una tecnología única para gestionar la optimización estructural multiobjetivo, teniendo en cuenta diferentes configuraciones de carga y objetivos relacionados con la masa, la rigidez y la resistencia. Esto permite maximizar las prestaciones estructurales del diseño.

Conceptos de laminación innovadores

El segundo aspecto fundamental es la innovación. Al ofrecer al optimizador la máxima libertad, OptiAssist puede generar propuestas conceptuales muy interesantes que ayudan al diseñador a identificar rápidamente las zonas que necesitan refuerzo y a definir la mejor estrategia de laminación.

Fabricabilidad del laminado

Gracias al uso de la topometría definida por el usuario, estas propuestas conceptuales pueden transformarse fácilmente en una secuencia de laminación realmente fabricable, reduciendo el número de capas y racionalizando el uso del material. Esto significa no solo alcanzar las máximas prestaciones, sino también garantizar que la secuencia de laminación cumpla los requisitos del departamento de producción.

Reducción de los tiempos de desarrollo

Por último, en lo que respecta a los tiempos de desarrollo, la comparación entre el enfoque manual tradicional, basado en la experiencia del analista, y el enfoque semiautomático basado en la optimización Ply-Based muestra una clara ventaja a favor de este último.

Con OptiAssist y la optimización Ply-Based, es posible diseñar secuencias de laminación con mejores prestaciones, utilizando menos material y dedicando mucho menos tiempo que con el enfoque tradicional.

OptiAssist es un software desarrollado por GRM Consulting que ofrece un conjunto completo de herramientas para el análisis FEA, el desarrollo de laminados y la generación de informes de fabricación destinados a ingenieros que diseñan componentes de materiales compuestos.

A través de la interfaz de OptiAssist, los ingenieros pueden desarrollar de forma eficiente sus diseños de materiales compuestos laminados, siguiendo tres etapas clave: el modelado del laminado, la optimización de la geometría de las capas y la transferencia de los datos del laminado al departamento de producción.

OptiAssist es compatible con los principales entornos de modelado FEM y con herramientas de gestión de laminados, como Laminate Tools, Fibersim y Catia CPD.

OptiAssist es distribuido en Italia por SmartCAE.