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Diseño de un STU con fluidos dilatantes

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Publication date
2021-04
Defense date
2021-05-27
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En los últimos años, la investigación acerca de suspensiones dilatantes se ha convertido en un área de gran interés gracias a sus singulares características como fluidos no newtonianos. Su principal propiedad, en la que la tensión cortante aumenta significativamente con el incremento de la velocidad de cizalla, es una de sus particularidades más relevantes y la razón por la que los fluidos dilatantes se han convertido en candidatos viables para su utilización en diversas aplicaciones. Por otra parte, los denominados dispositivos de transmisión de choque (STU), son elementos mecánicos destinados a la unión de componentes estructurales. Estos dispositivos, ante la acción de cargas lentas, permiten el movimiento relativo de los elementos conectados, sin embargo, bajo cargas bruscas repentinas, actúan como una unión rígida. Gracias a este comportamiento y a su robustez, hacen posible su uso en diferentes aplicaciones estructurales. Además, la utilización de suspensiones dilatantes como fluido de trabajo puede resultar de gran interés para la mejora de su comportamiento bajo solicitaciones extremas. Estos fluidos ofrecen la oportunidad de poder adaptarse a las condiciones de carga gracias a la relación no lineal entre la tensión y la velocidad de deformación. En la actualidad, se está estudiando el uso de este tipo de fluidos en diversas aplicaciones de grandes impactos. En esta Tesis Doctoral se presenta un modelo teórico-analítico propuesto para la caracterización del comportamiento del paso de un fluido dilatante a través del orificio anular en un dispositivo STU. Para este fin, también se han analizado con profundidad determinadas características de este tipo de fluidos. Se han realizado tres estudios de caracterización de los fluidos dilatantes con el fin de analizar diferentes parámetros que influyen en su comportamiento. En primer lugar, se ha propuesto una nueva correlación entre ensayos rotacionales y oscilatorios que mejora la superposición en todos los regímenes de los fluidos dilatantes. En segundo lugar, se ha estudiado su respuesta bajo diversas temperaturas, identificando como el aumento de temperatura puede variar la clasificación de este fenómeno. Finalmente, se ha analizado la respuesta no lineal de estos fluidos demostrando que la frecuencia de ensayo no afecta en el análisis de parámetros no lineales del material. Por otra parte, el modelo de placas paralelas propuesto se ha validado con la comparativa realizada mediante los ensayos experimentales, llevados a cabo con la fabricación de un dispositivo STU prototipo. Con este nuevo modelo, es posible estimar el perfil de velocidades en el orificio y la fuerza del dispositivo y, por tanto, poder diseñar un dispositivo STU. La validación de este nuevo modelo no solo es útil para su uso en dispositivos STU, sino que es extrapolable a otras aplicaciones que utilicen fluidos dilatantes.
Recently, shear thickening fluids (STF) research has become a prospective area of interest due to their unique characteristics as non-Newtonian fluids. Its properties, in which the stress sharply jumps with raising shear rate, produce a solid-like behavior which is one of the most important characteristics and the reason why STF are potential candidates for use in commercial applications. On the other hand, shock transmission units (STU) are mechanical elements de- signed to be connected between structural members. These devices, depending on the displacement velocity, allow the structure to move freely under slowly applied loads, but form a rigid link under rapidly applied loads. The behavior and robust- ness of these devices make it possible to use them in different structural applications. Furthermore, the use of STF as the internal medium of these devices can improve its characteristics under extreme conditions. These fluids could adapt their response de- pending on the applied loads thanks to its non-linear relationship between stress and shear rate. Currently, the use of STFs is being studied in energy-isolation systems. In this Thesis, a theoretical model is presented for the characterization of STF passage through an annular orifice in STU. For this purpose, some characteristics of this type of fluids have also been analyzed in depth. Three characterization studies of STF have been carried out in order to analyze different parameters that influence their behavior. Firstly, a new correlation between the results obtained in steady and oscillatory tests has been proposed. This new method has improved the correlation in all STF regimes. Secondly, it has also been identified how an increase in the temperature can change the classification of this phenomenon. Finally, the non-linear response of STF has been analyzed, where it has been shown that the angular frequency does not affect the analysis of certain non- linear parameters. Furthermore, the proposed parallel plate model has been validated with the com- parison made with experimental results, carried out with a prototype STU device. With this new model, it is possible to calculate the velocity profiles through an an- nular orifice and the response force and, therefore, be able to design a STU. The validation of this new model is not only useful for its use in STU, but it could be also extrapolated to other applications that use STF.
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Keywords
Fluidos dilatantes, Shear thickening fluids, Shock transmission units, STU, STF
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