XVI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA GRÁFICA

DISEÑO Y SIMULACIÓN NUMÉRICA DE ASIENTO DE AVIÓN COMERCIAL

SUÁREZ RIVERO, José P.(1); HERNÁNDEZ RÍOS, Víctor

(1) Universidad de LAS PALMAS DE GRAN CANARIA, España Departamento de Cartográfia y Expresión Gráfica en la Ingeniería

e-mail: jsuarez@dcegi.ulpgc.es

RESUMEN

El trabajo presenta los aspectos esenciales del diseño de un asiento para avión comercial y éste pretende ser una propuesta de desarrollo para la implantación real de tales asientos en el mercado aeronáutico. Entre estos aspectos se destaca las etapas de modelado geométrico y de simulación numérica. En cuanto al modelado geométrico se propone un diseño que se ajusta a las necesidades ergonómicas en los espacios cada vez mas aprovechados de los aviones, sin perder como criterio general la confortabilidad y la flexibilidad de las formas. En cuanto a las etapas de simulación numérica, se presenta un estudio analítico y numérico sencillo por Elementos Finitos que permite simular el asiento en condiciones de funcionamiento y considerando materiales de fabricación apropiados.

Palabras clave: diseño asientos, simulación numérica, elementos finitos.

ABSTRACT

This work presents essential recipes for the design of a commercial aitplane seat. Our results can be then put into the development line of the aeronautic market. Within the recipes, we remark geometric modeling and numeric simulation stages. Respecting geometric modeling, we propose a design satisfying ergonomic requirements for ther reduced spaces in modern airplanes. Respecting numerical simulation, we provide a simple analytic and numeric study using Finite Element Method that makes it possible to perform a simulation of the functionality and considering properly materials for manufacturing.

Key words: seat design, numeric simulation, finite elements.

1. Introducción

El campo de diseño de aviones es un tema poco difundido entre la comunidad científica actual, debido en gran medida al hermetismo que las compañías privadas llevan a cabo, [4] Pocas referencias de acceso público pueden encontrarse en este sentido. Los fabricantes de aviones y las compañías aéreas demandan diseños específicos que son encargados a determinadas empresas que guardan muy celosamente detalles desde el proceso de diseño hasta el proceso de fabricación. En particular, si se trata de obtener información sobre estudios numéricos que aporten información sobre detalles de mecánica estructural de dichos asientos, el hermetismo aumenta.

Este trabajo surge desde el estudio realizado en [2] el cual propone un diseño de un asiento de pasajeros para la clase turista de vuelos de larga distancia (más de 4 horas), teniendo en cuenta las normas y reglamentos vigentes. Dicho diseño intentará aumentar el confort mejorando entre otros aspectos las características físicas y los aspectos psicológicos. En cuanto a características físicas se considera Dimensiones de asientos, Distancia entre ellos, Formas, materiales, etc. Asimismo es necesario la consideración de aspectos psicológicos del diseño, como por ejemplo colores, entorno del pasajero, distancias. Asimismo, se complementa el trabajo con un estudio analítico y numérico sencillo por Elementos Finitos que permite simular el asiento en condiciones de funcionamiento y considerando materiales de fabricación apropiados.

2. Antecedentes en el diseño de asientos para avión. Aspectos ergonómicos

Existe una reglamentación mínima sobre la distancia que deben tener las butacas. La distancia mínima reglamentada por la CAA británica -Autoridad de Aviación Civil- es de 66 cm. Esta distancia es determinada por el espacio que existe entre el respaldo del asiento de apoyo de un pasajero y el respaldo que tiene delante. Esta distancia es absurda y va en contra de la prevención de riesgo. Por ejemplo, dicha medida le impide flexionar las rodillas a un pasajero de talla media, Figura 2. Esto, sin tener en cuenta si el pasajero de delante decide inclinar el asiento hasta un máximo de 25°. La movilidad y la posibilidad de realizar algún ejercicio sería nula y los riesgos de problemas circulatorios, muy grandes. Pero no existe ninguna compañía aérea que tenga estas medidas, y si alguna la tuviese, convendría cambiar el billete, siempre y cuando sea un viaje de larga duración (más de cuatro horas). Las siguientes imágenes muestran el espacio insuficiente entre asientos, lo cual provoca problemas y lesiones a los pasajeros:

Figura 1: Problemática existente de falta de espacio

Figura 2: La línea gruesa indica el límite de espacio recomendado para que el pasajero pueda mover las piernas.

3. Solución adoptada

La solución adoptada para el diseño propuesto consiste en un asiento el cual pasa de la posición sedente normal a una posición recostada. Dicho asiento permite que el pasajero pueda acostarse a partir de un conjunto de movimientos. El mecanismo que hace posible que el asiento se pueda desplegar, también permitirá al ocupante que adopte cualquier posición intermedia entre la sedente y la recostada, pudiéndolo inmovilizar en el punto que desee. Destacar también que el movimiento de una de las piezas que actúan sobre dicho movimiento provocará que se muevan el resto de las mismas, es decir, es una cadena de movimientos (cuando se mueve una se mueven todas).

El asiento posee unas partes fijas (las cuales permanecen inmóviles en todo momento y sirven como estructura de apoyo), estas partes son las patas, el arco del respaldo que sirve como estructura de apoyo a la carcasa trasera y la corredera que está unida al arco del respaldo por la cual se deslizará el respaldo. El resto de los elementos son los elementos móviles.

En cuanto a materiales de fabricación se resumen en la Tabla 1 los principales componentes.

Estructura Aluminio 2024-O, Aluminio 2024-O, ISO AlCu4Mg1, Din AlCuMg2

Cojines Confor Foam (CF-45)

Carcasas Policarbonato (PC)

Tabla 1:Lista de materiales de fabricacíón propuestos

3.1 El modelado de las formas

La búsqueda del modelo para las formas del asiento y elementos como carcasas cojines, etc, ha sido considerada también en base a las medidas antropométricas del cuerpo humano, [1,3]. Por otro lado, se opta por formas redondeadas para el conjunto de los elementos, entre ellos la carcasa trasera ya que dicha carcasa podía estar en contacto con los pasajeros y se tiene que evitar en todo momento que pudiera herir a los mismos en caso de accidente, ver Figura 3.

Otro aspecto a destacar del diseño es la forma envolvente del mismo haciendo que el pasajero posea su propio espacio cuando está en dicho asiento. Una vez el pasajero ha abatido su asiento, la mitad superior de su cuerpo queda metida en la carcasa, aportando intimidad frente al resto de los asientos y propiciando el que un asiento sea una máquina que satisfaga las necesidades de los pasajeros, Figuras 3 y 5.

Figura 3: Formas gráficas del diseño propuesto

Figura 4: Distintas posiciones capaces del asiento

La Figura 5 muestra el plano de despiece del asiento.

La Figura 6 representa los ángulos y la distancia que el asiento se ha tenido que desplazar hasta conseguir la posición final.

Figura 5: Plano de conjunto del diseño propuesto.

Figura 6: Tolerancia de ángulos y desplazamientos del asiento.

4. Análisis numérico del diseño propuesto

Todos los asientos adaptados para ser utilizados durante el aterrizaje y despegue deben ser capaces de resistir las cargas aplicadas estática y dinámicas, [4].

A continuación se hace un estudio estático de cargas aplicada a una simplificación del modelo propuesto. El estudio lo realizaremos con el método de Elementos Finitos (FEM)m el cual es un método numérico que permite hacer un análisis y simulación en condiciones reales de un diseño. Pasos del Método: (1) Modelado geométrico (2) Generación de Mallas (3) Formulación del modelo (4) Solución (5) Postproceso y optimización.

Como herramienta de apoyo en cálculos hemos utilizado el software FEMLAB para desarrollar la simulación.

Una clase importante de problemas que aparecen en física e ingeniería se puede encuadrar en el siguiente marco variacional abstracto:

donde V es un espacio de Hilbert, a : V x V �R es una forma bilineal continua y elíptica, y f : V � R es una forma lineal y continua. La aproximación general de Galerkin consiste en construir subespacios Vh de V de dimensión finita y resolver el siguiente problema aproximado:

que equivale a la resolución de un sistema algebraico lineal de ecuaciones.

El modelo utilizado en la simulación del asiento siguen las ecuaciones de Navier las cuales son ampliamente conocidas en Mecánica Estructural para afrontar el balance entre fuerzas según la deformación de componentes:

donde Xi,j representa el espacio de coordenadas, y Ui,j las componentes de deformación. De forma simplificada la ecuación llega a ser:

El anterior modelo es de utilidad en el estudio de problemas no acoplados o bien de problemas acoplados. Los parámetros de respuesta de dicha simulación permitirán evaluar la resistencia y rotura del asiento así como detectar partes de sobrecalentamiento que puedan afectar a la ergonomía y a problemas estructurales del producto. Será fundamental en el diseño de la simulación, la consideración de materiales apropiados así como el diseño de experimentos para la simulación (puesta en escena del uso, análisis de fatiga etc.).

En particular, se ha realizado la siguiente simulación: se ha supuesto que una persona de media de 80 Kg de peso se encuentra sentada en el asiento, en estado libre de tensión. Las fuerzas aplicadas al dominio del asiento son de 800N en la dirección y, así como de (1/3)800N, en la dirección x. La figura 7 muestra el diagrama de fuerzas en relación con el dominio de aplicación en el asiento.

Figura 7:Aplicación de cargas correspondientes a una persona de 80 Kg. Fy=800N; Fx=Aprox 1/3FY=250 N

A continuación se procede a la ejecución del modelo de Navier de Mecánica Estructural, para lo cual se ha diferenciado tres dominios de aplicación o estudio de tensiones según la Figura 8, correspondiendo al reposacabezas (zona A), espaldar (zona B) y asiento (zona C). Las gráficas presentadas en la Figura 8 detallan las tensiones producidas en las zonas A, B y C. La lectura de dichas graficas hay que hacerlas atendiendo al recorrido izquierda-derecha del camino sobre el asiento ABC, de forma que el eje de las x en las gráficas detalla la tensión calculada en el camino ABC del asiento. Se hace notar cómo en el punto de unión del camino A y B se maximiza la tensión, por lo que un cuidado especial en la fabricación de esta zona ha de ser tenida en cuenta. Asimismo, la zona del asiento en C posee un pico que coincide con el centro de gravedad del soporte del asiento.

Figura 8: Gráficas de la evolución de las tensiones en las franjas A, B y C del asiento

A B C

Estudio A Estudio B

Estudio C

2. Conclusiones

En esta comunicación se ha presentado aspectos básicos del diseño de un asiento para avión comercial, enfatizando el modelado de las formas, el cual le otorga unas cualidades ergonómicas adaptables al usuario. Asimismo, se proporciona un estudio numérico sencillo por Elementos Finitos que permite dar respuesta a detalles de fabricación y uso del asiento en condiciones reales. El estudio, aunque es de características estáticas, despeja dudas de los puntos de tensión máximo que soporta el asiento considerando pasajeros de peso medio. El conjunto de herramientas utilizadas así como la metodología sencilla propuesta permite la aplicación a otras áreas de la ingeniería como la transmisión de calor, fluidos etc.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido financiado parcialmente por el proyecto PI2003/35 del Gobierno de Canarias.

Referencias

[1] FARRER FRANCISCO, Manual de ergonomía – (1995).

[2] HERNÁNDEZ, Victor. Diseño de un asiento para avión comercial. Memoria del Proyecto Fin de Carrera de la titulación I.T. Diseño Industrial, Universidad de Las Palmas de Gran canaria.

[3] SHEN, W Y VERTIZ, A.M.- Redefining seat comfort” SAE Paper 970597, 1997.

[4] REINOLDS, H.M.- Automotive seat design for Sitting Comfort, Automotive ergonomics, 1993.