P55_M4_D06_R0-1 Diseño Brazo de Fibra de Carbono

7/25/2019 P55_M4_D06_R0-1 Diseo Brazo de Fibra de Carbono

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Diseo brazo de fibra de carbono

Resumen

Explicar las piezas que conforman el mdulo de tren de propulsin mediante la

argumentacin y uso de anlisis mecnico para la validacin de las geometras propuestas en

el diseo.

Objetivos

Describir las diferentes consideraciones que se tuvieron en cuenta durante el diseo del brazo

de propulsin de fibra de carbono y analizar el desempeo mecnico del mismo en

comparacin con el brazo de polmero.

AlcanceLos valores presentados servirn de base para establecer el comportamiento mecnico y la

rigidez del brazo en estudio.

Historial de RevisionesFecha: Elaborado por: Revisado por:

15/12/2015 Juan Carlos Avila

Fecha: Elaborado por: Revisado por:

15/12/2015

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Tabla de Contenido

Presentacin de la geometra propuesta y dimensiones principales

Casos crticos a considerar para:

o Brazo de fibra de carbono

Simulaciones de elementos finitos para miembros soporte

o Anlisis esttico brazo fibra de carbono

o Anlisis esttico para acople entre brazo y center frame


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Presentacin de la geometra propuesta y dimensiones principales

Como se nombr en documentos anteriores, el wheel base del prototipo es de 840 mm, la

estructura central de 270 mm, razn por la cual quedarn distribuidos 285 mm para cada

brazo divididos entre el acople, el tubo soporte y el soporte del motor.

Figura 1. Ensamblaje tren de propulsin fibra de carbono


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Figura 2. Brazo de fibra de carbono. 1 de dimetro y 2 mm de espesor. Longitud de 255 mm.

Figura 3. Acople plstico. Doble pasador.

La idea del doble pasador es utilizarlos tipo bisagra restringiendo totalmente los grados de

libertad de este sin generar momentos residuales como en el caso del empotramiento.


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Figura 4. Soporte de motor.

Casos crticos a considerar para brazo de fibra de carbono

Figura 5. Restricciones brazo de fibra de carbono


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En la figura 5 pueden apreciarse las perforaciones subrayadas en azul, dichas perforacionespermiten la ortogonalidad entre el acople que va al center frame y el soporte del motor. Se

tom como caso crtico el empotramiento en ese punto considerando que la sujecin acople-

brazo (ajuste prensado) no restringe al brazo, direccionando la carga de propulsin

completamente al pasador y por ende a los orificios haciendo de este el caso ms crtico.

Del mismo modo se realiz para el acople:

Figura 6. Restriccin en pasadores como bisagra y orificio con respecto al brazo

En los dos agujeros grandes marcados en azul iran los pasadores, en estos la restriccin es

como bisagra permitiendo una mejor distribucin de los esfuerzos, y el orificio sera para el

acople entre el brazo y el tubo, aplicando directamente la carga transmitida del motor hacia

este punto.

Simulaciones de elemento finito para componentes de propulsin

El material propuesto para ambos componentes son los siguientes:

Tubo soporte principal ( Fibra de carbono Std CF Fabric ACP composites)


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Acople ( Delrin 2700 NC010 Copolmero de acetal de baja viscosidad SS)

El mallado para elemento finito es el propuesto por Solid Works donde el refinamiento viene

dado por un algoritmo interno de cuadrados y tringulos como unidades diferenciales.

Simulaciones y anlisis para brazo de fibra de carbono

Se procedieron a realizar las simulaciones pertinentes de elemento finito para el brazo de fibra

de carbono, puede apreciarse en la figura 6 la distribucin de esfuerzos en el miembro, la

carga de propulsin en morado y las sujeciones en verde.

Figura 6. Simulacin de esfuerzos. Esf max = 0,39 GPA. Esf Flexin = 0.6 GPA.

De este anlisis se obtuvo un esfuerzo mximo de 0,39 GPA que comparado con el Esf deflexin del material, se obtuvo un factor de seguridad mnimo de 1.5 para este caso crtico,

cabe destacar que puede aligerarse el esfuerzo permitiendo una perforacin mayor en el


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brazo, distribuyendo de esa forma la carga para ese caso, por eso se cambi el dimetro deperforacin de 3 a 5 mm.

Simulaciones y anlisis para acople de Derlyn, copolmero

Se procedieron a realizar las simulaciones pertinentes de elemento finito para el acople entre

el brazo y el tren de propulsin, puede apreciarse en la figura 7 la distribucin de esfuerzos

en el miembro, las cargas de propulsin, momento resultante debido al brazo en morado y las

sujeciones en verde.

Figura 7. Simulacin de esfuerzos. Esf max = 0,28 GPA. Esf Flexin = 0.63 GPA.

De este anlisis se obtuvo un esfuerzo mximo de 0,28 GPA que comparado con el Esf de

flexin del material, se obtuvo un factor de seguridad mnimo de 1.6 para este caso crtico,

cabe destacar que puede aligerarse el esfuerzo permitiendo una perforacin mayor en el


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brazo, distribuyendo de esa forma la carga para ese caso, por eso se cambi el dimetro deperforacin de 3 a 5 mm. Misma condicin que para el brazo de fibra de carbono.

Conclusiones

Los componentes de propulsin diseados para el brazo de fibra de carbono soportan

satisfactoriamente las cargas aplicadas, cabe destacar que dichas condiciones crticas se

alcanzaran en vuelo si y solo s el prototipo necesitara desacelerar en descenso con

toda su potencia disponible generando as los 4 kilogramos de propulsin por brazo,

caso posible pero muy poco probable, razn por la cual no se espera un sometimiento a

cargas cclicas de ese estilo y la fatiga es despreciable para ese caso.

Sin embargo ampliando los dimetros de perforacin de 3 a 5 mm se logr aumentar el

factor de seguridad del brazo a 3.2 y el del acople a 2.9. Mejorando significativamente

la vida de los elementos para estos escenarios, que insistimos solo se generaran por

descuidos de pilotaje o una situacin de desbalance total de la aeronave.


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