Optimización estructural y funcional del apoyo de un dron

Aguilar Jiménez, Miguel Ángel (2019). Optimización estructural y funcional del apoyo de un dron. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Optimización estructural y funcional del apoyo de un dron
Author/s:
  • Aguilar Jiménez, Miguel Ángel
Contributor/s:
  • Chacón Tanarro, Enrique
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: November 2019
Subjects:
Freetext Keywords: apoyo, entalla, fusible mecánico, CAD, optimización, flexión, impacto, ensayos
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Mecánica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

Full text

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Abstract

El trabajo consiste en la realización de un proceso de optimización estructural del apoyo de un dron, con el fin de concluir con una mejora en el comportamiento ante impacto y un nuevo diseño disponible para los usuarios de este dron y fabricable mediante impresora 3D. En los pequeños instantes de tiempo que constituyen el impacto, el apoyo sufre una leve flexión, debida a una determinada hendidura o entalla, y posteriormente la rotura. Ambos procesos disipan parte de la energía de impacto, una energía que, si bien es cierto que en el instante inicial de la caída es energía potencial, en el instante del impacto es traducida en energía cinética. Son por tanto esos procesos de flexión y rotura responsables de impedir que toda la energía se transmita de lleno a la estructura que constituye el dron y afecte en mayor medida a los motores y cámara, lo cual confiere al apoyo el papel de fusible mecánico. Es dicha energía disipada la que se va a tratar de aumentar para conseguir la mejora en el impacto nombrada en el párrafo anterior. Esa mejora se trata de abordar en este proyecto mediante una optimización topológica, llevada a cabo por medio del software Altair SolidThinking Inspire, así como por un diseño justificado del nuevo concentrador de tensiones o entalla que va a poseer la estructura rediseñada. Para ello, tomando la pieza original, se introduce su geometría en el ordenador por medio de un software CAD (Catia), pudiendo así manejarla posteriormente en el software de optimización. Dicha optimización requiere la aplicación de los apoyos y cargas correspondientes a la estructura, para traducirse finalmente en una nueva geometría que debe ser refinada manualmente mediante diversas herramientas del programa. Este proceso de optimización y refinado queda recogido y completamente detallado, a modo de tutorial por pasos, en los anexos de este trabajo, por considerarse de interés la difusión del conocimiento acerca de este tipo de programas emergentes. Una vez optimizada topológicamente la pieza, se procede al estudio de teoría de concentradores de tensión, con el fin de elaborar una justificación fundamentada sobre qué geometría debe poseer el concentrador de tensiones de la nueva estructura. Para ello se recurre al libro Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, que proporciona útil información del factor de concentrador de tensiones con relación a las relaciones geométricas que posee la entalla. Esto queda reflejado por medio de gráficas. Dichas gráficas son clasificadas en función del tipo de entalla y esfuerzo al que es sometida, existiendo así diferentes gráficas para tracción, flexión o torsión. Mediante ellas se va a tratar en este trabajo de establecer la geometría de la entalla de manera que sea en dicha zona donde se concentren las mayores tensiones de la pieza, de modo que, tras la flexión, en el impacto, se produzca la rotura, manteniendo la función de fusible mecánico que caracteriza al apoyo. A lo largo del trabajo, se estudia cuál es la configuración de entalla más adecuada para el fin expuesto, para lo que se comparan las gráficas de entalla doble y entalla simple sometidas a flexión, ya que, como se ha comentado al inicio de este capítulo, en el caso de estudio aquí tratado, la entalla está sometida a flexión. Sin embargo, la gráfica correspondiente a entalla simple no se encuentra en el libro mencionado, con lo que una interesante parte de este trabajo consiste en la obtención de esta gráfica, lo cual se lleva a cabo por medio de simulaciones de elementos finitos a través del mismo programa empleado para la optimización. Dichas simulaciones se realizan pretendiendo reproducir condiciones análogas a las plasmadas en las gráficas del libro al que se ha recurrido. Una vez terminado el diseño del nuevo apoyo, el trabajo continúa poniendo en práctica la fabricación de la nueva estructura, con una previa realización de un estudio sobre el material más adecuado y el tratamiento térmico a aplicarle una vez formada la pieza. Dicho material resulta ser el plástico ABS, por su gran resistencia al impacto, y el tratamiento térmico a aplicar, un recocido para homogeneizar las tensiones derivadas de la impresión basada en deposición de hilo fundido, tratando así de conseguir una mayor resistencia a impactos. El proyecto consta, adicionalmente, de una comparativa entre las piezas inicial y rediseñada, tanto a través de simulaciones de elementos finitos mediante Inspire, como a nivel práctico mediante ensayos, para los que se realiza un previo prototipo de banco de ensayos en CAD, mediante Catia, y su posterior fabricación en el taller. Esta fabricación del banco de ensayos se basa en el uso de perfilería de aluminio, unida rígidamente mediante escuadras y tornillos, con el fin de simular una caída libre del apoyo controlando la fuerza de impacto mediante la altura y la masa aplicada sobre este. Los ensayos muestran que, aunque el apoyo disipe parte de la energía debida al impacto gracias a la flexión que favorece la entalla, la pieza no fractura por la sección en que esta se encuentra. Este resultado se encuentra respaldado por el hecho de que, en las pruebas realizadas, la entalla se ve sometida a compresión y esta última posee un efecto inhibidor frente a la propagación de grietas.

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Item ID: 57353
DC Identifier: http://oa.upm.es/57353/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57353
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 20 Nov 2019 07:57
Last Modified: 20 Nov 2019 07:57
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