Ingeniería
Diseño
La ciencia es la base, la Ingeniería el medio
Si se puede imaginar, se puede diseñar

ARF


Alejandro Rodríguez Fernández
Ingeniería y Diseño

Diseño de una Avioneta con Catia V5

Cálculo, diseño y simulación de una avioneta con Catia V5

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Proyecto Fin de Máster en Diseño, Simulación y Análisis de Piezas con Autodesk Inventor, SolidWorks y Catia V5.

Como Proyecto Fin de Máster diseñaré una avioneta. Haré el cálculo más importante -el perfil alar y el dimensionado de las alas- para tener una idea de la sustentación que necesito para el fuselaje.

Diseñaré la avioneta en Catia y, durante una etapa temprana de su diseño, comprobaré la respuesta aerodinámica del fuselaje mediante el Flow Simulation de SolidWorks. Por último haré unos renderizados de la avioneta terminada.
Avioneta diseñada en Catia

Proyecto terminado. Uno de los renderizados de la avioneta
Índice:


i. Cálculo, diseño y simulación de una avioneta

1. Introducción

2. Objetivo del proyecto

3. Condiciones de partida

4. Cálculos

5. Diseño, simulación y análisis de la avioneta

5.1. Diseño de las alas

5.2. Diseño del fuselaje

5.2.1. Simulación de la aerodinámica del fuselaje: SW Flow Simulation

5.3. Diseño de la hélice

5.4. Diseño de la cola

5.5. Diseño del tren de aterrizaje y otras piezas

5.6. Ensamblaje de la avioneta

6. Conclusiones


ii. Bibliografía

-Iniciación a la Aeronáutica. Antonio Creus Sole. Ediciones Díaz de Santos. 2010.

-Recursos y apuntes online de la Politécnica de Madrid

-Wikipedia y otros recursos de Internet


iii. Anexos

1. Planos de la avioneta ensamblada

i. Diseño y simulación de una avioneta

1. Introducción

En este proyecto trataré de diseñar una avioneta a partir de un pequeño esquema.

Diseñar un avión a partir de una idea, una foto o un esquema es un reto más o menos asumible. El problema empieza cuando quieres validar ese diseño. Vamos, que el avión que has diseñado vuele. Seguro que hay un buen puñado de reglas y leyes de la aeronáutica que habrá que cumplir... Toda una ingeniería dedicada sólo a eso.

El que haya que seguir un montón de leyes físicas añade un punto de reto al diseño. Para diseñar una avioneta hay que seguir una aerodinámica muy estricta. Aunque diseñases el coche más estrafalario del mundo, a fin de cuentas, si tiene ruedas y no la has liado mucho, lo normal sería que pudiese rodar. En cambio, si diseñas el avión más bonito del mundo sin calcular nada, lo normal será que ni siquiera despegue. Y si de casualidad lo hace, seguro que te metes en un buen lío.

La primera clave del vuelo está en las alas, son las que sustentan el peso del avión, y hay que diseñarlas en concordancia con el resto de partes. En realidad, todas las partes de un avión están relacionadas, por lo que el diseño se retroalimenta continuamente. El diseño de un avión es un proceso muy iterativo. Por ello las herramientas de CAD y un buen análisis por FEM y CFD son vitales para el diseño y la optimización.

2. Objetivo del proyecto

El diseño de una avioneta requiere un montón de cálculos previos para el diseño de cada una de las partes que lo componen. Obviamente, es un trabajo de equipo que necesita un tiempo considerable de desarrollo y optimización. No es mi intención lograr un diseño efectivo o válido de una avioneta, pero sí calcular las alas y el fuselaje con la forma y las dimensiones correctas, la potencia que necesita el motor para vencer el viento... Para ello necesitaré hacer unos cálculos que me lleven a conseguir una avioneta lo más parecida a la realidad posible.

Tomaré este proyecto como un estudio previo al diseño, como un boceto detallado, una idea que un promotor envía a un equipo de ingeniería para que la optimice. O visto de otro modo, un anteproyecto que se envía al promotor para que financie la elaboración de un proyecto.

En este punto de partida no sé realmente a qué nivel de detalle seré capaz de llegar. Dedicaré aproximadamente las 75 horas que estima el calendario del máster. Mi intención es realizar un cálculo mínimo que demuestre que la avioneta sería capaz de volar.

A modo de resumen:

- Calcular

Estudio de las partes que componen la avioneta, cálculo de dimensiones, perfiles de ataque de las alas y otras condiciones aerodinámicas.

- Diseñar

Diseño de las alas, el fuselaje y todas las partes principales de una avioneta, y su ensamblaje.

- Simular

Durante el diseño, comprobar la resistencia al viento que ejerce el fuselaje y optimizarlo.

Máster  en Diseño, Simulación y Análisis de piezas con Catia V5, SolidWorks e Inventor

Máster impartido por el estudio de ingeniería Carman Consultoría.

Más Información

3. Condiciones de partida

Tomaré como condición de partida el siguiente esquema de una avioneta:
Partes de una avioneta
Esquema de una avioneta. Fuente: www.oni.escuelas.edu.ar
No trataré de hacer una copia exacta, sino utilizar este esquema como una primera idea. Realmente no es mucha la información que muestra. No hay cotas, ni detalles de anclajes. Pero da una idea de cómo es la estructura de las alas, el fuselaje y las partes de las que consta una avioneta. Intentaré diseñar un fuselaje más aerodinámico.

Partes de una avioneta:

- Motor (que no lo diseñaré).
- Hélice.
- Fuselaje.
- Alas y su estructura interna.
- La cola con el estabilizador, timón...
- Tren de aterrizaje.
- Interior: asientos, cuadros de mando... No lo diseñaré.

4. Cálculos

La clave del vuelo de un avión está en las alas, ya que son las que sustentan el peso durante las fases del vuelo. Por ello habrá que diseñarlas en función del fuselaje, y del peso total del avión, etc. El primer cálculo sería lograr ajustar las longitudes de las alas, el fuselaje y el peso de la avioneta para que las alas sean capaces de sustentar en el aire todo el conjunto.

Pero primero,

¿Por qué vuela un avión?



4.1. El equilibrio de fuerzas de una avioneta



El milagro de que un avión vuele está en el diseño de las alas. Es necesario conseguir una presión menor en la parte superior del ala que en la parte inferior, así el aire "empujará el avión hacia arriba": sustentación. Por contra, el peso del avión lo empujará hacia abajo, así que tendrá que cumplirse que:

Sustentación = Peso del avión.

¿Cómo conseguimos una presión menor en la parte superior del ala?

Cuando un flujo pasa por un estrechamiento, aumenta de velocidad, pero disminuye de presión. La parte superior del perfil del ala está diseñada para que el aire aumente de velocidad, y por lo tanto disminuya de presión.

Al mismo tiempo, cada partícula del flujo de aire recorrerá una trayectoria. El Teorema de Bernoulli dice que (bajo determinadas condiciones) la suma de la presión estática y dinámica (debida a la velocidad) de una partícula en un flujo es constante a lo largo de una trayectoria. Por ello si aumenta la velocidad, deberá disminuir la presión, y al revés.

Utilizando el perfil del ala con el Teorema de Bernoulli, se demuestra el porqué de que un avión pueda volar. Lo trataré de demostrar con un dibujo:
En este punto tenemos demostrada una de las restricciones que deberemos emplear en el diseño:

sustentación = peso.

La segunda será que la tracción que suministremos con el motor deberá ser mayor que la resistencia del aire, para que el avión pueda moverse. Se requerirá una velocidad algo mayor que la necesaria para superar la resistencia del aire, ya que en realidad la sustentación está definida según el ángulo de ataque al ala:
Equilibrio de fuerzas en el perfil alar
Demostración de por qué vuela un avión
Fuerza de Sustentación
Las alas se diseñan para que moviendo flaps y slots (no los cálcularé, ni los diseñaré) se pueda variar la sustentación (se consigue que aumente o disminuya la presión en la parte superior del ala):

sustentación = peso -> equilibrio. El avión se mantiene a una altura constante.

sustentación > peso -> avión asciende

sustentación < peso -> avión desciende

Otra forma de aumentar la sustentación sería aumentar la velocidad.

Todo esto sería muy difícil de calcular, pero normalmente se opta por elegir un perfil de ala normalizado.
En esta primera parte me centré en conseguir unos cálculo mínimos que me permitan diseñar la avioneta con un pocode rigor y al menos unas dimensiones apropiadas.

La segunda parte de este proyecto ya se centra en el diseño propiamente dicho:

Segunda Parte:

Diseño y Simulación de una avioneta con Catia
4.2.

Selección del perfil del ala y cálculo dimensiones de un avión



Calcular el perfil del ala desde cero es un trabajo arduo, que en realidad se lleva haciendo desde principios del siglo XX. Así que la NACA (antecesora de la NASA) tiene unas tablas de perfiles normalizados de uso común. Aunque esto ahorra mucho trabajo de cálculo, aún serán necesarios bastantes.

En la siguiente imagen, tenemos la nomenclatura más importante de un perfil alar:

Gráfico con la nomenclatura de una ala de un avión
Perfil Alar y Alargamiento. Fuente: www.manualvuelo.com
Diseñaré la avioneta para una velocidad máxima de 180 Km/h = 50 m/s. De la fórmula anterior, se extrae que al aumentar la velocidad de la marcha aumenta mucho la sustentación. Tengo que seleccionar una velocidad de crucero para el vuelo normal de la avioneta. Será de 30 m/s (unos 120 Km/h). La densidad del aire depende de la altitud, la temperatura... Para este cálculo la consideraré constante (1.2 Kg/m3).

La superficie alar (Salar) es la envergadura de las alas por la cuerda media del perfil alar. Lo dibujo para que se entienda mejor:
Imagen con la fórmula clave para el vuelo de un avión
Para calcular este perfil es necesario conocer la sustentación, y para ello el peso del avión. Pero el peso depende también del ala, que es la que provoca la sustentación. El diseño de una avión es proceso cíclico que necesita hipótesis iniciales, que luego se van afinando según se calculan más variables.

Como primera hipótesis supondré un peso de la avioneta. Será ligera. Entre fuselaje, alas, motor, combustible, pasajeros, carga... el peso máximo del diseño será de 600 Kg al realizar el fuselaje con fibra de carbono. Esto me daría que para volar en horizontal necesitaría calcular las alas para una sustentación de L=6000 N.

Ahora necesito relacionar la sustentación (L) con la superficie alar. Para ello se emplea la siguiente fórmula:
Esquema de un avión y sus alas
Superficie alar
Y CL es un coeficiente experimental que depende del ángulo de ataque (ángulo que forman la dirección del viento y la cuerda del perfil alar). Los CL están determinados experimentalmente y dependen de los perfiles alares. El problema es que conseguir las tablas de la NACA no es fácil. En Internet tenemos datos de algunos perfiles muy comunes. Para una avioneta lenta y con buena sustentación, nos sirven los NACA 2410, 2412, 2415.

Valdrían muchos perfiles más, pero no encontré las tablas que me dan los puntos del intradós y el extradós (parte superior e inferior del ala), y los coeficientes para calcular la sustentación. Así que elegiré la que mejor se adapte de estas tres. Para mejorar la elección del perfil, habría que profundizar en la búsqueda de tablas, o quizás pagar a la NACA por las tablas y datos de sus perfiles.
Imagen de los perfiles NACA
Extradós e intradós de varios perfiles alares
En la siguiente tabla, tenemos los datos de los perfiles alares anteriores extraídos de las tablas de diseño de la NACA. El mayor rendimiento se obtiene cuando CL/Cd (llamado fineza) es máximo.
Tabla de constantes de los NACA 2410, 2412, 2415
Cd es el coeficiente de resistencia. Al igual que CL está normalizado y puede obtenerse de las tablas y gráficas de las normas NACA. Utilizando este coeficiente podemos definir la resistencia que se opone al avance del avión en vuelo normal como:
Fórmula de la resistencia por viento en un avión
Esta resistencia la tenemos que vencer con el motor que seleccionemos. Vemos que es bastante similar a la fórmula de la sustentación L. De modo que si las dividimos nos queda:
Fóruma la fineza
La fineza es un parámetro adimensional que nos sirve para comparar perfiles alares. Al igual que los coeficientes de los que está compuesta, depende del ángulo alfa. Por lo que será máxima para un determinado ángulo alfa.

Ahora, por fin puedo calcular la superficie alar. La despejo de la fórmula de la sustentación (L):
Tabla de perfiles y superficies alares
Sólo tengo que seleccionar una, y dimensionar las alas: S=b·c, es decir, la longitud por la cuerda del perfil alar como pudimos ver en la imagen 5.

La mejor fineza la tiene la NACA 2415. Podría hacer una combinación de dos alas de 4.5 m cada una con una cuerda de 1.5 m.

Me quedaré con la intermedia, la NACA 2412 porque no sólo es importante la fineza. Habría que comprobar muchas más cosas. Por ejemplo, mirando la tabla de la imagen 6, las NACA 2412 son más finas que las 2415, por lo que ganaré un poco de maniobrabilidad (mejora otro ratio: espesor máximo dividido entre cuerda). Por lo tanto utilizaré dos alas de las siguientes dimensiones: 2·5m·1.4 =14 m2. Es decir, una envergadura de 2·5m=10m con una cuerda de 1.4m.

Dimensionado del motor

Por otro lado, el avión necesita una fuerza que contrarreste la resistencia al avance (rozamiento del aire...) que podemos calcular utilizando la ecuación anterior de D, con el coeficiente de resistencia que nos dan los perfiles alares.

Necesitaré suministrar con el motor una potencia que sea capaz de superar esta resistencia. Para calcular la potencia del motor, emplearé una ecuación que se usa para una primera aproximación:
Fórmula para una primera aproximación a la potencia
La ecuación relaciona la potencia que necesito para un peso W (en lb) y una velocidad máxima que puede alcanzar la avioneta (en mph). a y c son dos constantes experimentales que dependen del tipo de aviación. Para monomotor y aviación general puede usarse a=0.024 y c=0.22. Diseñaré el avión para una velocidad máxima de 50 m/s (180 Km/h).
(700 kg=1543lb; velocidad máxima= 50 m/s =111.85mph)
Fórmula para calcular potencia
Conclusión sobre los perfiles alares

El perfil alar seleccionado creo que dará unas grandes prestaciones a una avioneta liviana como esta. De todos modos, habría que calcular la sustentabilidad necesaria para muchas otras condiciones de vuelo (despegue, descenso, aterrizaje, ascenso, giros y otras maniobras). Pero el CL máximo del ala parece suficiente para que las alas diseñadas sostengan la avioneta durante cualquier maniobra.

También podría escogerse un motor mucho potente, ya que el diseño del fuselaje en fibra de carbono será suave, por lo que reducirá presiones, y podremos volar a bastante más velocidad de la que tomé como hipótesis.

Estos cálculos no son más que una primera aproximación al diseño. El cálculo completo de una avioneta es mucho más complicado. Incluso es un proceso iterativo, se parte de una primera aproximación y se van calculando de nuevo los pesos, el perfil alar, la superficie alar, la potencia necesaria, y muchísimas otras cosas que me he dejado en el tintero.

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