UNIVERSIDAD SANTO TOMASDIVISIN DE INGENIERASFACULTAD DE INGENIERA MECNICAElemento FinitosEdwin Camilo Surez Sanchez

Anlisis estructural del soporte de un Alern en un avin, en relacin a las cargas causadas por el flujo de viento.

1. Introduccin

El anlisis de elementos finitos es muy verstil, en este caso se llevara a cabo una interaccin entre el anlisis NX CFD enfocado en la dinmica de fluidos y NX Nastran enfocado en el anlisis estructura, generando unos perfiles de velocidad en el cuerpo y unas presiones generadas por el flujo de aire a una velocidad aproximada de 650 km/h, que nos permitirn definir primero una interaccin de fuerzas de contacto y presiones entre la superficie a analizar y el fluido por medio de una solucin tipo mapeado.

Por medio de los datos generados por el software en la solucin de fluidos y de mapeado, generaremos una tercera solucin que nos permitir conocer gracias a estos datos que esfuerzos y deformaciones podemos encontrar en las uniones entre el ala y el alern de un avin comercial.

2. Problema

El desarrollo actual en el software CAD con sistemas de anlisis CAE incorporados, junto a la gran variedad de este tipo de software que encontramos en el mercado, especficamente en el aspecto del anlisis por el elementos finitos y en este caso en especfico el anlisis por CFD (Computational fluid dynamics), lo cual nos obliga en este anlisis en particular a hacer la seleccin apropiada del software ms idneo para nuestro anlisis, el cual ser NX.

En este anlisis en especfico enfocaremos nuestro anlisis inicialmente en el mdulo de NX THERMAL / FLOW este para el desarrollo del anlisis de fluidos y las presiones ejercidas por el flujo sobre la estructura, posteriormente de NX NASTRAN que es el solver estructural del programa. En donde se analizaran mas afondo cual es el comportamiento de esfuerzos y deformaciones en la unin por medio de un mapeado generado desde el anlisis de CDF.

3. Justificacin

Por qu se decidi implementar un proceso de anlisis como el CFD, en un software como NX en un proyecto como este, se debe a que la versatilidad requerida para un anlisis como este es muy elevada, en relacin a el anlisis correlacionado entre dos solver diferentes como lo es el NX THERMAL / FLOW y NX NASTRAN.

Entregndonos una solucin en la cual se pueda ver claramente como se ve afectado este tipo de uniones en un dispositivo de tan alta demanda como lo son los aviones en la actualidad.

Esto se podr llevar a cabo con el apoyo y desarrollo previo de diversos tutoriales presentes en el software en relacin al anlisis CFD y el mapping.

4. Hiptesis y preguntas de la investigacin

Por medio de las siguientes preguntas podremos dar una idea de en qu se enfoca la hiptesis de nuestro problema y con qu enfoque se le piensa dar manejo y solucin. Por qu es una buena decisin utilizar NX y no otro software similar? Qu tan generales o flexibles pueden llegar a ser los datos obtenidos, Podr una persona no experta en el tema entender los resultados del anlisis? Es posible obtener unos datos de salida viables para el anlisis exigido por el problema desde el software?

La utilizacin de NX es totalmente idneo para el uso y aplicacin del anlisis CFD por medio de NX THERMAL / FLOW, siendo posible generar un mtodo genrico par un anlisis en este tipo de problemas.

5. Objetivos

5.1. Objetivos GeneralesLlevar a cabo un proceso de anlisis de CFD del alern del ala de un avin comercial, utilizando NX; y poder plantear desde los resultados obtenidos en el software cuales son las cargascausadas en esta unin y como se podra llegar a tener una mejor resistencia a la fatiga, en un caso especfico de soporte.

5.2. Objetivos Especficos Llevar a cabo la documentacin paso a paso del procedimiento llevado a cabo en el anlisis CFD. Establecer un mtodo claro, til e implementable por compaeros estudiantes, con el fin de conseguir un material de apoyo por medio del cual podrn desarrollar anlisis CFD con correlacin de anlisis estructurales. Conseguir los conocimientos bsicos en el software, para poder llevar a cabo el desarrollo de este tipo de anlisis.

6. Marco TericoAerodinmicaAerodinmica es la parte de la mecnica de fluidos que estudia los gases en movimiento y las fuerzas o reacciones a las que estn sometidos los cuerpos que se hallan en su seno. A la importancia propia de la aerodinmica hay que aadir el valor de su aportacin a la aeronutica. De acuerdo con el nmero de Mach o velocidad relativa de un mvil con respecto al aire, la aerodinmica se divide en subsnica y supersnica segn que dicho nmero sea inferior o superior a la unidad.

Hay ciertas leyes de la aerodinmica, aplicables a cualquier objeto movindose a travs del aire, que explican el vuelo de objetos ms pesados que el aire. Para el estudio del vuelo, es lo mismo considerar que es el objeto el que se mueve a travs del aire, como que este objeto est inmvil y es el aire el que se mueve (de esta ltima forma se prueban en los tneles de viento prototipos de aviones).

Es importante que el piloto obtenga el mejor conocimiento posible de estas leyes y principios para entender, analizar y predecir el rendimiento de un aeroplano en cualesquiera condiciones de operacin. Los aqu dados son suficientes para este nivel elemental, no pretendindose una explicacin ni exhaustiva ni detallada de las complejidades de la aerodinmica.

Nuestro enfoque terico ser muy superficial en relacin a lo que aplicara e software y como dar solucin a un problema de este tipo. [1]

Se definirn algunos trminos primordiales para el anlisis y desarrollo del mismo.

Fuerza de Presin:Es aquella fuerza que se genera normal a la superficial afectada por el flujo, est producida debido a la velocidad relativa entre el fluido y el cuerpo. [2]

Fuerza de Rozamiento:Esta fuerza se genera de manera tangencial a la superficie, esta debida a la viscosidad del fluido, que en este caso ser la viscosidad del aire.

Ahora veremos una imagen que nos representa estas dos fuerzas.

Figura[1] [3]Figura [2] [3]

Figura [3] [4]

Coeficiente Aerodinmico.Debido a complejidad de los efectos del aire sobre el vehculo y para hacer posible su estudio se hace depender estas relaciones de fuerzas en una nica variable(Coeficiente) que permita, de una forma simple, conocer los efectos que resulten presentes. El valor de estos coeficientes es determinado de forma experimental en un entorno controlado (por ejemplo, tnel de viento), en el que se conoce la velocidad, la densidad del aire, la proyeccin frontal del mismo, y se determinan el arrastre y la sustentacin producida sobre el vehculo.

El coeficiente ms importante en esta rea es el coeficiente de arrastre, tambin llamado coeficiente aerodinmico o coeficiente de penetracin y conocido por su notacin Cx, que se determina mediante la siguiente frmula: [2]

Desarrollo paso a paso del anlisis por CFD en NX

Paso 1Generar un nuevo modelo para el desarrollo de la geometra del ala y el alern.

Paso 2Se pasa al mdulo de Simulacin Avanzada de NX, donde se selecciona el mdulo de Fem para anlisis trmico y de fluidos, el cul ser el que utilicemos debido a que el anlisis principal que aqu se desarrolla es de la corriente de aire que impacta el ala y el alern de un avin a velocidad crucero.

Siendo especficamente seleccionado el solucionador para fluidos inicialmente.

Paso 3Se procede a construir un volumen de control en el cual podamos definir los parmetros de flujo del fluido, el tipo de fluido y cules seran sus condiciones de trabajo.Lo que se busca con este comando es generar una link asociativo de la geometra asociando partes de su geometra entre otras caractersticas, pero conservndola en el FEM idealizado.

Se construye un cubo normal, el cual se ubica el cuerpo a analizar en la mitad, esta extrusin inicialmente ser de tipo inference lo cual permite llevarse a cabo la extrusin sin que las piezas interfieran entre s, aunque despus se edita la extrusin y se define como none, esta operacin booleana permite que esta extrusin sea apropiada ya que el fluido acepta el cuerpo que se encuentra en su interior.

Esta operacin es con el fin de general el volumen de control por el cual pasara nuestro fluido de anlisis, sin que all se encuentre presente el cuerpo del ala y el alern; si no tan solo se encuentra definida su configuracin geomtrica en el fluido. Aclarndole al programa que se desea conservar la herramienta substrada.

Paso 4Se selecciona el cuerpo de anlisis para llevar a cabo el anlisis del fluido, que como tal sera nicamente el volumen de control definido.

Se selecciona nicamente el cuerpo a utilizar en el anlisis que ser el volumen de control

Paso 5Se define el enmallado.

Se define un enmallado 2D, el cual permite definir cul es la superficie (a pesar de que no se encuentre en este momento el cuerpo) de anlisis por la que pasara el fluido, siendo un enmallado de tipo Thin Shell.

Se define un enmallado 3D para todo el volumen, en este caso se opt por un enmallado tipo tetradrico, de 250 mm, y se define por medio de un colector que el material del volumen de control el cul ser aire.

Se define como aire al volumen de control del anlisis.

Paso 6Luego de hacer el enmallado procedemos a definir las restricciones de nuestras soluciones de dinmica de fluidos. Se define que el fluido previamente definido que en este caso es aire, parar por este volumen de control, definiendo como dato de entrada la velocidad crucero de un avin que es de aproximadamente 650 Km/h.

Se define que la cara opuesta del volumen de control, en relacin a por donde se encuentra el ingreso de fluido es abierta y permite el flujo libre de are en este caso.

Paso 7Se procede a dar solucin a solutin flow.

Luego de decirle al software que d solucin al problema, aparecer el panel de solution monitor desde el cual podr observar las restricciones iniciales, el nmero de elementos y nodos a analizar y se activar un grfico por medio del cual podr observar cmo va la convergencia en el anlisis del modelo.

Paso 8Revisin de resultados preliminares del anlisis por dinmica de fluidos, tomando como principales la velocidad y la presin.En esta imagen podemos identificar cules son puntos de mayor velocidad y como en la parte superior e inferior del ala donde se le da un cambio repentino a la superficie hay una elevada velocidad en relacin al dato inicial.

Se puede observar la presin nodal causada por el flujo sobre el cuerpo de la seccin del ala aqu utilizada.

Paso 9Generar una nueva solucin que es llamada en el software como mapping la cual se encuentra en el el mismo tipo de solucin que es THERMAL/FLOW.Antes de poder generar esta solucin se debe generar un mapeado, el cual definir cual es la superficie que se desea analizar para el anlisis estructural. Despus de esto se debe solucionar de nuevo la solucin de dinmica de fluidos.

Se genera la nueva solucin llamada mapping

Se selecciona el archivo tipo BUN. Como se puede observar, el propio archivo se encarga de definir que este anlisis es relacionado con un anlisis de fluidos y no uno trmico. Que genera la solucin de anlisis dinmico de fluidos, el cual cargar los datos de presin y cortante, generados. Los cuales servirn para hacer la transicin de un anlisis a fluidos a uno estructural.

Se le define a esta solucin que cree una Nastran Solution, lo cual nos permitir hacer la transicin entre el anlisis de cargas generadas al fluido, y analizar directamente el cuerpo que nos interesa, en este caso la seccin del ala de un avin

Paso 10Se definen las restricciones necesarias para la solucin mapping.Se define la superficie del fluido, en la cual se trabajara con las cargas generadas por el fluido. Donde se ve reflejado el mapping association zone que se defini en la solucin de dinmica de fluidos.

Se define la superficie del cuerpo que ser afectado, por las cargas de presin y cortantes generadas por el flujo.

Paso 11Se da solucionar a la solucin tipo mappingSe obtiene la distribucin de presin generada por el fluido, sobre el cuerpo definido.

Se obtiene las fuerzas cortantes generadas por el fluido, sobre el cuerpo definido.

Paso 12Automticamente veremos generado la solucin tipo Mapping Nastran, que nos permite analizar no el fluido si no el cuerpo rgido all ubicado.Se debe editar los cuerpos pertenecientes al FEM. Debido que previamente estbamos trabajando con un volumen de control con un espacio definido con la geometra de cuerpo en anlisis.

Se generan en el FEM. El cuerpo en anlisis, el cual ser el cuerpo rgido analizado de manera estructural.

Procedemos a generar el enmallado de la seccin del ala en anlisis, en este caso se opt por un enmallado tipo tetradrico, de 50 mm, y se define por medio de un colector que el material del ala ser un Aluminio 5086 de baja densidad.

Paso 13Se definen las restricciones estticas del modelo.Se define la condicin fija de una de las caras de la seccin que se est analizando de la pieza.

En este caso podemos ver como es la distribucin de pre-cargas generadas por el software desde la solucin de mapping. Esta definicin de precarga hace referencias a las fuerzas generadas por el flujo a altas velocidades que impacta con el ala en este caso, y generan unas fuerzas de contacto y unas presiones..

En este caso del ala por razones a las cuales no le encontr solucin me genera un problema de asignacin de propiedades al 3d_mesh(1) como se puede observar, a pesar de que a la izquierda podemos ver como tienen un collector con su respectivo material asignado. Por ello no pude mostrar los resultados finales de este modelo, pero si har una muestra de uno de los modelos previamente desarrollados que tuvieron a cabo este mismo tipo de anlisis.

Se puede observar el cuerpo precargado, como lo mostramos previamente en el ala.

Las deformaciones presentadas en este cuerpo gracias a las pre-cargas, luego de llevarse a cabo la solucin del mismo.

El esfuerzo de Von Mises, en donde podemos ver como el esfuerzo es de mayor valor en la seccin que se defini como fija en este modelo

Modelo 2 Resultados

Problemas de convergencia

Perfil de velocidadLa velocidad ingresada para poder hallar la convergencia del problema fue de 150 m/s, inicialmente se tom un dato de 180,69 m/s, luego uno de 170 m/s y posteriormente en un solucin que tardo 42 minutos y no convergi se le ingreso una velocidad de 160 m/s. En cada una de esta soluciones se le dio una reduccin secuencial de ir reduciendo el enmallado iniciando en un tamao de 50 mm y llegando a uno de 25 mm.

Presin

Conclusiones El desarrollo de este tipo de anlisis, exige ser muy meticuloso al momento de definir la geometra, puesto que al tener tantas variaciones de cuerpos de trabajo entre solucin y solucin, podr generar una gran variedad de errores tanto de enmallado como de definicin de restricciones necesarias para el anlisis. Al momento en el que busque generar los resultados de la solucin de dinmica de fluidos, el modelo no converga en su anlisis debido a que el tamao de enmallado seleccionado para este proceso era muy grande en relacin a la configuracin geomtrica sobre la que se desarrollaba el anlisis. Este tipo de modelo con ms de una solucin, requieren ser meticuloso con que piezas y restricciones se debe trabajar en cada 1, puesto que el FEM. que se llega a necesitar para cada solucin, son muy diferentes entre s, como podemos ver en uno de los previamente analizados, que en uno es un volumen de control con un hueco que es la superficie de trabajo de una forma caracterstica; y posteriormente ya aparece una pieza en el interior que ya es el cuerpo a analizar estructuralmente. Este modelo, presento problemas al momento de convergir puesto que el software no encuentra solucin al ingresrsele una velocidad superior a los 720 Km/h (200 m/s) debi a que es una velocidad muy elevada para dar manejo en esta solucin tipo solucin que no acostumbra utilizar fluidos a velocidades cercanas a la del sonido. La convergencia tambin se vio afectada al momento en el que se pas de un tamao de malla de 50 mm a 30 mm. Bibliografa

[1] M. A. Muoz, Manual vuelo, [En lnea]. Available: http://www.manualvuelo.com/PBV/PBV12.html.[2] R. J. D., Anlisis de CFD, Valencia, 2010.[3] I. A. E. D. F. R. D. ENERGIA, 2007. [En lnea]. Available: http://escritura.proyectolatin.org/. [ltimo acceso: 23 04 2015].[4] A. d. vehculos, technicalcourses, 2010. [En lnea]. Available: http://www.technicalcourses.net/. [ltimo acceso: 23 04 2015].