Caracterización experimental y numérica de muelles de compresión cilíndricos de pequeña cantidad de espiras para la optimización de las leyes que rigen su comportamiento: aplicación a la mejora de la predicción del comportamiento de las válvulas reguladoras de caudal

Abstract

El objetivo del presente proyecto es estudiar y afinar la predicción del comportamiento de muelles de compresión cilíndrica, bajo diferentes condiciones de contorno. En especial, se analizarán muelles con pocas espiras, para los cuales las leyes de modelización mecánica actuales pierden su validez. Con el fin de buscar una adaptación de dichas leyes, se realizará la caracterización experimental y numérica de una serie de 72 muelles con dimensiones reducidas. Además, se probará la mejora conseguida con las nuevas leyes de comportamiento, para el caso de pocas espiras, en una de sus aplicaciones industriales más común, la válvula antirretorno. En un primer lugar, se ha desarrollado un estudio bibliográfico previo para observar el estado del arte en este campo. Este estudio permite adquirir los conocimientos generales necesarios para elaborar el exhaustivo análisis presentado en este proyecto. Primeramente, la búsqueda de información se ha basado en la comprensión de diferentes tipos de muelles y sus características. Para tratar el caso particular de los muelles con pocas espiras, se ha buscado información referente a los problemas generados por sus extremidades y el comportamiento no lineal de su curva Fuerza-Desplazamiento. Éstos son los puntos clave del comportamiento de los muelles con pocas espiras, cuya predicción resulta complicada. Tras este análisis previo, se ha llevado a cabo un trabajo de investigación para conocer el comportamiento real de los muelles cilíndricos de compresión con pocas espiras. Para estos muelles, las leyes usuales no representan adecuadamente su comportamiento real. Por tanto, el objetivo de este proyecto es estudiar dicho comportamiento. Se ha considerado que los muelles seleccionados para llevar a cabo dicho objetivo presentarán un mecanizado en sus extremidades de tipo cerrado simple y cerrado rectificado. De este modo, se analizarán resultados experimentales y simulados numéricamente. Cabe destacar que las experimentaciones han sido realizadas gracias a la infraestructura y material del INSA Toulouse. Para las caracterizaciones numéricas, se ha utilizado el software de elementos finitos ABAQUS. Se analizan diferentes modelos de muelles para determinar el esfuerzo axial en función de su desplazamiento, conllevando al cálculo directo de la rigidez del muelle. Gracias a estos cálculos y sus posteriores comparaciones, se observa la necesidad de mejora en la concepción de muelles con pocas espiras debido a la imprecisión de la concepción usual. Con el fin de mejorar la precisión que consigue la teoría actual, se definen unas nuevas leyes de comportamiento. Tras detallar las mismas, se delimita su dominio de aplicación y se estructuran de modo que resulten de fácil implantación para la industria actual de muelles. Por otro lado, se analiza una aplicación industrial capaz de poner a prueba la mejora obtenida con las nuevas leyes correctivas. En concreto, se analizan los muelles presentes en válvulas antirretorno, para comprobar que la concepción de las mismas bajo las nuevas leyes de comportamiento puede mejorar la precisión de regulación de estas válvulas. Finalmente y gracias a la aplicación analizada, se concluirán las configuraciones óptimas de los muelles para su aplicación industrial y el rango de validez de las nuevas leyes de comportamiento.