instituto politÉcnico nacionaltesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/12703/1/1951 2013.pdf ·...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD TICOMÁN

“ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL FUSELAJE Y BANCADA

DEL UAV TONATIUH”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO EN AERONÁUTICA

PRESENTA:

JORGE LUIS HERNÁNDEZ TORAL

ASESORES: DR. JOSÉ FÉLIX VÁZQUEZ FLORES ING. ALEJANDRO MEJÍA CARMONA

MÉXICO D.F. DICIEMBRE 2013

,

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD TICOMÁN

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN AERONÁUTICA TESIS INVIDIVUAL POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN:

DEBERÁ PRESENTAR: EL C. PASANTE HERNÁNDEZ TORAL JORGE LUIS

"ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL FUSELAJE Y BANCADA DEL UA V TONATIUH"

CAPÍTULO I

CAPÍTULO II CAPÍTULO III

CAPÍTULO IV CAPÍTULO V

INTRODUCCIÓN

JUSTIFICACIÓN

OBJETIVOS

ALCANCE Y LIMITACIONES

ANTECEDENTES

METODOLOGÍA

ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN OCEANOGRÁFICA Y DE

LOS UAV'S PARA INVESTIGACIÓN

ANÁLISIS ESTRUCTURAL

ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL FUSELAJE Y BANCADA DEL UA V

TONATIUH

OPTIMIZACIÓN DEL FUSELAJE Y BANCADA DEL UA V TONATIUH

CONSTRUCCIÓN DEL FUSELAJE Y BANCADA DEL UA V TONATIUH

RESULTADOS

CONCLUSIONES

ANEXOS

México, DF., a 2 de diciembre de 2013.

A S E S O R E

ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL FUSELAJE Y BANCADA DEL UAV TONATIUH

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios por darme la oportunidad de vivir y por estos años que no me ha

abandonado pese a las complicaciones y problemas que han surgido en el

desarrollo de este trabajo, así como también le doy gracias por haberme permitido

adquirir la experiencia y sabiduría a lo largo de toda mi vida y por mis padres que

me han sabido guiar en el gran proceso de la vida.

Gracias a mis padres Jorge y Estela por contagiarme de sus mayores fortalezas y

virtudes, sin las cuales no sería la persona que soy hoy en día.

Mamá tú me diste la lección más grande que he tenido en mi vida, gracias por

enseñarme a luchar pese a cualquier adversidad, sabiendo que el único obstáculo

es el que nosotros mismos nos planteamos.

Papá gracias por darme las fuerzas a lo largo de este difícil proceso, sin tu apoyo y

cariño, creo que este trabajo jamás lo pudiera haber logrado, no sé cómo agradecer

todo lo que me has dado.

De la misma forma agradezco a toda mi familia por haberme apoyado a lo largo de

toda mi carrera profesional, en especial a mi abuelo Pedro, por haberme dado

consejos que me han servido de mucho para lograr esta culminación de mis

estudios. Así como también agradezco a mis abuelos paternos y abuela materna,

por su cariño y empeño que pusieron en mi vida y desarrollo personal.

Gracias a mis amigos que me apoyaron y fueron cómplices para la terminación de

mis estudios y del proyecto que se desarrolla en este trabajo, en especial le doy

gracias a Esmeralda, quien me ha dado fortaleza y me ha animado a seguir adelante

pese a cualquier problema que ha surgido, sin ella este trabajo, así como la

culminación de mis estudios no podría haber sido posible.

Gracias a Alfredo Ruiz quien fue el primero en fincarme en mi un interés por la

ingería y la tecnología, por lo cual decidí tomar el camino de la ingeniería.

Por último agradezco a mis profesores, que me han impulsado a lo largo de toda mi

carrera profesional, en especial al Dr. Félix por haberme impulsado a terminar este

trabajo de tesis y enseñarme que siempre hay que concluir las cosas que se

comienzan.


INDICE

Introducción I Justificación III Objetivos V Alcance y limitaciones V Antecedentes VI Metodología X Cap. 1. Estado del Arte de la investigación oceanográfica y de los UAV’s para investigación 1 1.1. Oceanografía 1 1.1.1. Oceanografía geológica 2 1.1.2. Oceanografía química 3 1.1.3. Oceanografía física 3 1.1.3.1. Temperatura 4 1.1.3.2. Transparencia 4 1.1.3.3. Corrientes 5 1.1.4. Oceanografía biológica 5 1.1.4.1. Zonación del medio marino 6 1.1.4.2. Necton 6 1.1.5. Resultados 7 1.2. Muestreos 7 1.2.1. Métodos de muestreo 8 1.2.1.1. Topohidrografía y cartografía 8 1.2.1.2. Muestreo en oceanografía física 9 1.2.1.3. Muestreo en oceanografía química 10 1.2.1.3.1. Sensores remotos 10 1.2.1.4. Muestreos en oceanografía geológica 11 1.2.1.5. Muestreo del necton 11 1.2.1.5.1. Localización de peces 12 1.2.1.6. Muestreo en mamíferos marinos 12 1.2.1.6.1- Fotoidentificación 13 1.2.1.7. Muestreo de bentos 13 1.2.2. Uso de buceo y vehículos submarinos 14 1.2.2.1. Submarinos Tripulados o dirigidos a control remoto 14 1.2.2.2. Buceo 15 1.3. UAV 15 1.3.1. Funcionamiento 16 1.3.2. Utilidades 16 1.3.3. Utilización de UAV’s en investigación 17 1.3.4. UAV’s para investigación 19 1.3.4.1. Fulmar 20 1.3.4.2. Furos 21 1.3.4.3. Sirius II 22 1.3.4.4. Stardust II 23 1.3.5. UAV’s para investigación Oceanográfica 24 1.3.6. UAV Tonatiuh 24

INDICE

Cap. 2. Análisis estructural 27

2.1. Análisis estructural 27

2.1.1. Metodología de diseño 27

2.1.1.1. Planeación 27

2.1.1.2. Análisis 28

2.1.1.3. Diseño 29

2.1.1.4 Presentación de resultados y/o construcción 29

2.1.2. Principios básicos 29

2.1.1.1. Exactitud 30

2.1.1.2. Factor de incertidumbre 31

2.1.1.3. Tipos de esfuerzo 31

2.1.1.4 Formas de falla 31

2.1.1.5. Tipos de análisis 32

2.1.1.6. No linealidades 32

2.1.3. Estructuras 33

2.1.3.1. Elementos estructurales 33

2.1.3.2. Tipos de estructuras aeronáuticas 33

2.1.4. Materiales 34

2.1.4.1. Madera 34

2.1.5. Fuerzas estructurales 35

2.2. Método de elementos finitos 36

2.2.1. Historia 37

2.2.2. Conceptos generales 38

2.2.2.1. Discretización 39

2.2.2.2. Funciones de interpolación 40

2.2.3. Condiciones de contorno (solución) 41

2.2.4. El papel de la computadora 41

Cap. 3 Análisis estructural del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh 43

3.1. Análisis estructural del fuselaje y bancada 43

3.1.1. Despegue 45

3.1.1.1.Cálculo del levantamiento (L) y resistencia al avance (D) 45

3.1.2. Aterrizaje 50

3.1.3. Viraje 51

Cap. 4.- Optimización del fuselaje y la bancada del UAV Tonatiuh. 55

4.1. Optimización 55

4.1.1. Rango 55

4.2. Aligeramiento 56

4.2.1. Análisis de resultados 56

4.2.1.1. Despegue 57

4.2.1.2. Viraje 58


4.2.1.3. Aterrizaje 59

4.2.2. Planteamiento de nuevos modelos 59

4.2.2.1. Propuestas de aligeramiento 60

4.2.3. Análisis estático para las estructuras aligeradas. 61

4.2.3.1. Primera propuesta de aligeramiento 62

4.2.1.2. Segunda propuesta de aligeramiento 64

Cap. 5.- Construcción del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh. 69 5.1- Aeromodelismo 69 5.1.1 Clasificación 69 5.1.1.1 Aeromodelismo estático 69 5.1.1.2 Aeromodelismo dinámico 70 5.1.1.2.1 Vuelo Libre 70 5.1.1.2.2- Vuelo circular 70 5.1.1.2.3- Radio control 71 5.2- Partes principales de un avión 71 5.2.1- Fuselaje 72 5.2.1.1- Fuselaje de varilla o “palito” 72 5.2.1.2- Fuselaje de plancha 72 5.2.1.3- Fuselaje de varillas 73 5.2.1.4- Fuselaje de cajón o monocasco 73 5.2.1.5 Fuselajes variados 73 5.3- Material 74 5.3.1 Madera 74 5.3.1.1 Madera balsa 75 5.3.1.2 Madera de pino 75 5.3.1.3 Madera de triplay 75 5.3.1.4 Madera de abeto (rojo) 76 5.3.2 Metales 76 5.3.3 Materiales compuestos 77 5.4- Herramienta y maquinaria 77 5.4.1 Marcadores 77 5.4.2 Herramienta y maquinaria de corte 77 5.4.3. Herramientas de sujeción 78 5.4.4 Abrasivos 79 5.4.5 Adhesivos 79 5.4.5.1 Cianocrilato 81 5.4.5.2 Resinas epoxicas 81 5.4.6 Otras herramientas 82 5.5 Técnicas para el conformado de madera balsa 82 5.5.1 Marcado 82 5.5.2 Corte 83 5.5.3 Curvado de la madera 84 5.5.4 Ensamblado 84 5.6 Corte de madera 85 5.7 Procedimiento 86

INDICE

Resultados 89

Conclusiones 95

Anexo 1. Normatividad para los UAV’s 97

Anexo 2. Solidworks 99 Anexo 3. Investigación oceanográfica mediante un UAV 117 Anexo 4. Análisis estructural del fuselaje y bancada por MEF del UAV Tonatiuh 123


LISTA DE FIGURAS

Figura 1. UAV’s S4 Ehécatl y E1 Gavilán 17 Figura 2. UAV Fulmar montado en catapulta de lanzamiento y realizando un amerizaje 20 Figura 3. UAV Furos 21 Figura 4. UAV Sirius II 22 Figura 5. UAV Stardust II con su sistema de control en tierra 23 Figura 6. Determinación de interferencias en el ensamble y bancada del UAV Tonatiuh en Solidworks

44

Figura 7. Resultado del mallado del perfil NACA 23012 en ambiente Workbench 46 Figura 8. Gráfico de simulación del flujo laminar sobre el perfil NACA 23012 con α=5 en ambiente Workbench

46

Figura 9. Gráfico de fuerzas de levantamiento y resistencia al avance, actuando sobre el perfil NACA 23012 con α=5 en ambiente Workbench

46

Figura 10. Graficas de Cl, CL, Cd y CD en Excel para diferentes α 48 Figura 11. Aplicación de cargas y soporte al ensamble del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh para el momento del despegue

49

Figura 12. Resultado obtenido en Solidworks del esfuerzo de torsión para el momento del despegue

49

Figura 13. Resultado obtenido en Solidworks de las deformaciones unitarias para el momento del despegue

49

Figura 14. Aplicación de cargas y soporte al ensamble del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh para el momento del aterrizaje

50

Figura 15. Resultado obtenido en Solidworks del esfuerzo de torsión para el momento del aterrizaje

51

Figura 16. Resultado obtenido en Solidworks de las deformaciones unitarias para el momento del aterrizaje

51

Figura 17. Aplicación de cargas y soporte al ensamble del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh para el momento del viraje

52

Figura 18. Resultado obtenido en Solidworks del esfuerzo de torsión para el momento del viraje

53

Figura 19. Resultado obtenido en Solidworks de las deformaciones unitarias para el momento del viraje

53

Figura 20. Vista isométrica de las tensiones desarrolladas en el momento del despegue 57 Figura 21. Acercamiento a la bancada del UAV Tonatiuh en el momento del despegue 57 Figura 22. Vista isométrica de las tensiones desarrolladas en el momento del viraje 58 Figura 23. Vista isométrica de las tensiones desarrolladas en el momento del aterrizaje 59 Figura 24. Primera propuesta de aligeramiento 60 Figura 25. Segunda propuesta de aligeramiento 61 Figura 26. Refuerzo introducido en la bancada 61 Figura 27. Vista isométrica de las tensiones desarrolladas para la primera propuesta de aligeramiento en el momento del despegue

62

Figura 28. Acercamiento a la bancada del UAV Tonatiuh para la primera propuesta de aligeramiento en el momento del despegue

63

Figura 29. Vista isométrica de las tensiones desarrolladas para la primera propuesta de aligeramiento en el momento del aterrizaje

63

Figura 30. Vista isométrica de las tensiones desarrolladas para la primera propuesta de aligeramiento en el momento del viraje

64

LISTA DE FIGURAS

Figura 31. Vista isométrica de las tensiones desarrolladas para la segunda propuesta de aligeramiento en el momento del despegue

65

Figura 32. Vista isométrica de las tensiones desarrolladas para la segunda propuesta de aligeramiento en el momento del aterrizaje

66

Figura 33. Vista isométrica de las tensiones desarrolladas para la segunda propuesta de aligeramiento en el momento del viraje

66

Figura 34. Vista isométrica del modelo final del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh 67 Figura 35. UAV Tonatiuh a la derecha y avión Tonatiuh a la izquierda 71 Figura 36. Modelo de vuelo circular con fuselaje de plancha 72 Figura 37. Fuselaje de varillas 73 Figura 38. Fuselaje de cajón 73 Figura 39. Tabla de uso de pegamentos para diferentes materiales 80 Figura 40. Propiedades físicas calculadas mediante Solidworks para el fuselaje del UAV Tonatiuh sin modificaciones

89

Figura 41. Propiedades físicas calculadas mediante Solidworks para el fuselaje optimizado del UAV Tonatiuh

89

Figura 42. Inspección visual del “UAV Tonatiuh”, en el campo de vuelo 90 Figura 43. Prueba de flujo continuo de combustible previo al vuelo 91 Figura 44. Aterrizaje del primer vuelo del UAV Tonatiuh 91 Figura 45. Momento en el que el UAV Tonatiuh entra en perdida, durante su segundo vuelo

92

Figura 46. Aterrizaje fallido del UAV Tonatiuh en su tercer vuelo 93 Figura 47. Despegue del UAV Tonatiuh en su cuarto vuelo 93 Figura 48. Momentos antes del aterrizaje del UAV Tonatiuh en su cuarto vuelo 94 Figura 49. Viraje del UAV Tonatiuh durante su cuarto vuelo 94 Figura 50. Imagen aérea tomada con una cámara provisional adosada a un costado del UAV Tonatiuh

94

Figura 51. Diagrama de secuencia de cálculos de Solidworks 104 Figura 52. Elemento sólido lineal y parabólico utilizado por Solidworks para el mallado 113 Figura 53. Elemento triangular lineal y triangular parabólico utilizado por Solidworks para

el mallado 114


LISTA DE TABLAS

Tabla 1. UAV’s usados para investigación VIII Tabla 2. Características del UAV Fulmar 20 Tabla 3. Características del UAV Furos 21 Tabla 4. Características del UAV Sirius II 22 Tabla 5. Características del UAV Stardust II 23 Tabla 6. Características del UAV Tonatiuh 25 Tabla 7. Propiedades del pino y triplay de 1/8 43 Tabla 8. Propiedades de la madera balsa 44 Tabla 9. Resultado de Cl, Cd, CL y CD para el UAV Tonatiuh a diferentes α 47 Tabla 10. ELP de la madera balsa, pino y triplay de 1/8 56 Tabla 11. Propiedades mecánicas de la resina epoxica 81 Tabla 12. Tipos de restricciones para Solidworks 107

I

INTRODUCCIÓN

A lo largo de la historia el hombre ha querido conocer más del entorno en donde

vive y con el cual convive diariamente, esta hambre de conocimiento ha llevado a la

humanidad a crear diferentes ciencias de estudio, las cuales tiene por objetivo

conjuntar conocimiento obtenido mediante observación y razonamiento propios del

hombre, el cual es estructurado sistemáticamente, para proponer principios y leyes

que rigen el entorno en el cual vivimos. (RAE, 2013)

Dentro de este entorno, el hombre ha tenido un gran interés por saber que es y

cómo funciona la gran masa de color azul que se encuentra en nuestra planeta la

cual cubre cerca de 70% de la superficie terrestre (Solans y Milera, 1999), a la cual

ha denominado agua y en su totalidad se ha designado a esta como mares y

océanos, por lo que dentro de estas ciencias creadas se encuentra la oceanografía,

que es la ciencia que estudia los mares y sus fenómenos, así como también la flora

y la fauna marina (RAE, 2013).

Sin embargo toda práctica para obtener y generar conocimiento con lleva un gasto

económico y de tiempo, por lo cual a la fecha es difícil realizar todos los diferentes

estudios que se quieren y en ciertas ocasiones necesarios, para obtener los

diversos conocimientos, debido a que por tratarse de un problema más enfocado

hacia el medio ambiente, es de poco interés para la gente que pudiera apoyar estos

estudios y más aún que los resultados de estos, en ciertas ocasiones no son

remunerados de manera económica, pero si enriquecen el conocimiento existente,

de modo que para hacer más viables los estudios es necesario reducir los costos y

tiempos de operación.

Dicha reducción es posible llevarse a cabo mediante la implementación de la

tecnología disponible hoy en día, ya que en la actualidad esta tiene la tendencia a

reducir en costo y ser más eficiente día con día, dado a los pasos enormes que se

han dado en la creación de productos útiles para diferentes propósitos, pero es

importante seleccionar e implementar correctamente esta, para realmente obtener

los beneficios que se pudiera tener de ella.

Aunado a esto el gran despunte que han tenido hoy en día los aviones no tripulados

“UAV”, por sus siglas en inglés Unmanned Aerial Vehicle, y su demostrada eficiencia

para llevar a cabo acciones de reconocimiento y sobre vuelo en áreas, nos ha dado

como idea la creación de un UAV que sirva de apoyo en las investigaciones

oceanográficas, que sea de bajo costo y de gran ayuda a los investigadores, el cual

pueda facilitar el trabajo y aumentar las posibilidades de estudios dentro de esta

área de conocimiento.

Por lo que en un primer término es necesario comprobar si la idea planteada es

funcional o no, por lo cual se decidió comenzar con un modelo a escala de un avión

para desarrollar el UAV, eligiendo como modelo un avión que contara con

características útiles para el proyecto, por lo cual se decidió tomar como base el

II

avión Tonatiuh. Sin embargo una vez adaptado, es necesario realizar una serie de

pruebas para demostrar que la aeronave creada es apta para volar y que no con

lleva algún riesgo de seguridad para realizar los vuelos, dentro de estas pruebas a

realizar se encuentra el análisis estructural del UAV Tonatiuh, el cual es el objeto de

este trabajo.

Dado que el análisis estructural de una aeronave es complicado, este se dividió en

diferentes partes teniendo como objetivo en este trabajo de tesis, el análisis del

fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh, de este modo se dará comienzo al proyecto

propuesto en un principio, para comprobar la viabilidad de este, revisando los

resultados obtenidos y el costo implicado del uso de la aeronave.

Persiguiendo este objetivo en el capítulo uno comenzaremos por conocer un poco

más que es lo que estudia la oceanografía y una reseña de los diferentes tipos de

muestreo usados dentro de esta ciencia, para de esta manera conocer en que

estudios un UAV podría intervenir o ayudar y que otros se pudieran proponer. De la

misma forma se dará a conocer el estado del arte de los UAV’s en el país y a nivel

mundial, para tener un punto de referencia.

Conociendo el contexto en general de los UAV’s y de la oceanografía, en el capítulo

dos se detallaran los conocimientos generales para llevar a cabo un análisis

estructural y el proceso necesario para emplear el método de elementos finitos

(MEF), método empleado en este trabajo. Una vez detallado esto, dentro del mismo

capítulo se explicara cómo es que se llevó a cabo el análisis a las estructuradas

mencionadas del UAV Tonatiuh y se expondrán los resultados obtenidos.

En el capítulo 3 se analizaran los resultados obtenidos del análisis previo y se

optimizara la estructura, dando una explicación del porqué se lleva a cabo este

proceso y se realizara un aligeramiento a la estructura, analizando las nuevas

estructuras por el mismo método empleado e igual que en el capítulo anterior se

mostraran los resultados.

Con siguiente a esto dentro del capítulo 4 se explicaran los diferentes tipos de

aeromodelos que se pueden realizar y se detallará como se pueden construir este

tipo de modelos, así como la herramientas empleadas, para finalizar con una

explicación de la construcción del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh.

Finalmente se presentaran los resultados y conclusiones surgidos de este trabajo,

discutiendo en estas secciones la funcionalidad del método empleado y en general

la factibilidad de operación de la idea del proyecto en general.

III

Justificación

La investigación oceanográfica comprende el conjunto de ciencias que estudian los

procesos naturales que se verifican en los océanos y sus límites, su objeto es

determinar los modos de obtener los beneficios de las propiedades del océano que

pueden ser útiles, así como establecer las maneras de evitar o aminorar los efectos

de las que puedan causar algún prejuicio. (DGPC, 1969)

Para el estudio de las propiedades del océano y de los fenómenos naturales que en

él se verifican, se recurre a la investigación empírica (observaciones y mediciones

en sitio) y teórica. La investigación oceanográfica, como otras ramas de

investigación, demanda mucho tiempo, grandes esfuerzos y gastos económicos

considerables.

Un grupo de investigadores de la Universidad Veracruzana (UV) utilizan un globo

que es arrastrado por medio de una lancha, en el cual tienen montada una canastilla

que lleva en su interior una cámara, dicho globo tiene que ser arrastrado por la zona

donde se quiere muestrear, sin saber con precisión si la cámara está enfocada o Se

encuentra apuntando a lo que realmente se desea. Debido a que la lancha no puede

pasar por ciertas partes es necesario arrastrar el globo manualmente en algunas

ocasiones.

En virtud de lo anteriormente descrito y en reuniones con investigadores, tanto de

la UV, como de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y de la

asociación Estudio y Conservación de la Naturaleza (ECONATURA), se propuso

realizar un proyecto titulado “UAV (Unmamed Aerial Vehicle) como plataforma para

el desarrollo de la investigación oceanográfica en México”, el cual tiene como

objetivo desarrollar un vehículo aéreo no tripulado, que sirva como apoyo para

dichas investigaciones.

Con esto el UAV podría suplir la labor que realiza el globo en el muestreo realizado

por el grupo de investigadores de la UV, además de que este tendría una mayor

zona de cobertura en un menor tiempo e inclusive se pueden colocar diferentes

tipos de cámaras y sensores, para realizar un muestreo más completo. Sin embargo

para realizar la selección del UAV a utilizar es necesario definir de manera más

precisa las diferentes variables del problema, como la velocidad y altura del UAV

para la toma de datos, alcance, peso de los instrumentos, carga útil e incluso la

impermeabilidad en caso de que el UAV cayera sobre el agua.

Considerando lo anterior, se puede determinar el tipo de UAV que se requiere, de

ahí se pueden tomar dos vertientes; comprar un UAV existente y adaptarlo o en su

defecto fabricar uno a la medida. Si analizamos la primera opción tenemos la gran

desventaja de que no existe un UAV para tal fin en específico, por lo que se debe

adecuar el equipo o los sensores al avión, esperando que se tenga el suficiente

espacio para dichos instrumentos, cabe señalar que además el UAV debe de poder

levantar el peso especificado y volar a una altitud y velocidad deseada o requerida

IV

para la toma de muestras o en su defecto comprar un UAV especial para dicha

tarea, sin embargo los precios de estos rondan los 30,000 euros, por lo que se

observa que, es más conveniente optar por la segunda opción.

Como primera intención, se propone utilizar un modelo a escala del Tonatiuh, con

el objeto de convertirlo en un modelo de radio control y como segundo paso

convertirlo totalmente en un UAV, en el cual se montará una cámara convencional

para realizar tomas de video, posteriormente a esto se pretende utilizar una cámara

multiespectral, la cual permitirá analizar las imágenes obtenidas en conjunto con los

investigadores y se podrá decidir si se cubren o no los requerimientos de su

investigación.

Para llevar a cabo lo descrito anteriormente, es necesario en primer término realizar

el análisis estructural del avión, con el objeto de asegurar que soporte las diferentes

cargas a las que será sometido, el cual es el objetivo del presente trabajo, cabe

señalar que a la par se trabaja en la fabricación del UAV, el reglaje y las pruebas de

vuelo.

Debido a la cantidad de trabajo que se requiere para calcular todo el avión (UAV

Tonatiuh), dicho cálculo estructural ha sido dividido en sub-sistemas, estos son: el

ala, los estabilizadores, el fuselaje y la bancada, de esta manera en lo que respecta

a este trabajo se analizará el fuselaje y la bancada, con la ayuda de un paquete con

el Método de los Elementos Finitos o MEF por sus siglas en español, así mismo con

este paquete se trabajará la parte del diseño asistido por computadora o CAD por

sus siglas en inglés “Computer Aided Design” e ingeniería asistida por computadora

o CAE por sus siglas en inglés “Computer Aided Engineering”.

.

V

Objetivos

Objetivo general

Calcular la estructura del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh, por medio de un

paquete con el Método de los Elementos Finitos (MEF).

Objetivos particulares

Modelar la estructura del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh

Definir las cargas que se aplican en el fuselaje y la bancada del UAV

Tonatiuh.

Realizar un análisis a la estructura del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh.

Optimizar la estructura del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh.

Fabricación del UAV Tonatiuh

Efectuar vuelos de prueba del UAV Tonatiuh.

Alcance y Limitaciones

En este trabajo se analizará la estructura del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh,

utilizando las propiedades de las maderas: balsa, pino, abeto y triplay de pino.

El estudio se hará en un paquete con MEF, por medio de un análisis estático,

utilizando las propiedades de homogeneidad y anisotropía de la madera y las cargas

obtenidas para las condiciones de vuelo que prevalecerán en el momento de realizar

el muestreo. Analizando los resultados se optimizará la estructura del fuselaje y

bancada del UAV Tonatiuh.

Una vez optimizada la estructura se procederá a construir la bancada y fuselaje del

UAV Tonatiuh con la plena seguridad, de que dichas estructuras no tendrán falla

alguna a la hora de realizar las pruebas de vuelo, así como las pruebas en campo.

Dando como resultado un apoyo a la primera fase del proyecto que se ha planteado

con anterioridad, mediante la construcción de estas dos partes del UAV Tonatiuh y

teniendo la plena seguridad que la estructura es funcional, es decir es apta para

soportar las cargas a las que va hacer sometida.

VI

Antecedentes

En un principio la idea de la creación de un UAV, con fines de investigación cuyo

objetivo fuera el de obtener fotografías para delimitar zonas arrecifales, surgió a

través de conversaciones con la asociación civil Estudio y Conservación de la

Naturaleza (ECONATURA), está idea se derivó por un lado de la pasión a la

fotografía y de ciertas fotografías de arrecifes e islas tomadas desde el aire a través

de un helicóptero.

Ante esta inquietud dicha idea, fue mi propuesta de investigación en la materia de

“Proyecto de ingeniería en estructuras” impartida por el Dr. Vázquez Flores Félix, la

cual fue aceptada por él y con ello se comenzaron los trabajos de recopilación de

información y la construcción de la aeronave a escala Tonatiuh la cual sería

controlada a través de control remoto.

Compartiendo este proyecto y avances hasta ese momento con investigadores de

la Universidad Veracruzana (UV) y de la Universidad Nacional Autónoma de México

(UNAM), y tras la incorporación de nuevos conceptos en diversas reuniones.

El pasado 05 de Julio de 2012 en la Facultad de Ingeniería de la Universidad

Veracruzana se llevó a cabo el primer taller del proyecto, “UAV como plataforma

para el desarrollo de la investigación oceanográfica en México”, cuyo objetivo es la

participación multidisciplinaria de estas tres instituciones y el Instituto Politécnico

Nacional (IPN) para la creación de un UAV que sirva de apoyo a las investigaciones

oceanográficas.

El taller tuvo la intención de consensar los diferentes criterios de todos los

investigadores y darle forma al proyecto que apoye a las investigaciones

oceanográficas, ya que a través de este taller se encontró el gran potencial que un

UAV pudiera tener al realizar diferentes muestreos en esta rama del conocimiento.

Hasta el momento, no tenemos conocimiento en el país del desarrollo de un UAV

con fines de investigación en Oceanografía e incluso a nivel internacional los UAV’s

en su mayoría se utilizan para espionaje o con fines bélicos. Por otra parte además

de los investigadores de ECONATURA, UV y UNAM, profesores de la Escuela

Nacional de Ciencias Biológicas (ENCB) del IPN, indican el potencial de un UAV y

mencionan que no conocen dentro de este medio la utilización de algún prototipo

de UAV, como apoyo para este tipo de actividades.

Oceanografía

En nuestro país la investigación y explotación marina ha sido un proyecto

secundario hasta hace unos pocos años, debido a que no se contaba con el apoyo

económico y material necesario, a la fecha estas investigaciones siguen careciendo

de apoyo económico, mas sin embargo han comenzado a tener una gran

VII

recopilación de información, gracias al avance de la tecnología en los últimos años

(López Lira, 1987).

Existen diferentes tipos de muestreos en los que un UAV podría ser útil para la

investigación oceanográfica, a continuación se enuncian dos ejemplos de estos.

En la actualidad los levantamientos topográficos para delimitar algún cuerpo de

agua, un arrecife, entre otro tipo de delimitaciones, se realiza mediante una brújula,

un GPS y una cinta métrica o un rayo láser, o bien como lo realizan los

investigadores de la UV como ya se explicó, ya que a través de las imágenes

obtenidas y con los puntos geográficos se puede delimitar una zona. Algunos de

estos muestreos se han realizado con aviones o helicópteros para tomas

fotográficas, sin embargo no se ha encontrado ninguna investigación que haya

realizado dicho muestreo con el apoyo de algún UAV (Márquez García, 2000).

También existen muestreos de animales marinos, a través de la foto identificación

que consiste en fotografiar animales en su ambiente natural, dicho método presenta

diversas complicaciones ya que el objeto se encuentra en movimiento y también se

tiene que tomar en cuenta el desplazamiento de la embarcación y el bamboleo

mismo debido al oleaje y al viento, por esto dicho muestreo depende de la habilidad

del conductor de la embarcación y del fotógrafo (Ortega Ortiz, 2000).

Dicho muestreo al igual que el mencionado primeramente, se puede realizar

mediante un helicóptero o un avión, sin embargo existe un antecedente de este

muestro, en España se creó el UAV Fulmar que aunque su objetivo no es la

investigación como tal, persigue un objetivo similar al rastrear bancos de peces

mediante una cámara de video (aerovision-uav, 2012).

Existen casos muy aislados de la utilización de UAV’s, que se utilicen para objetivos

similares a los de los muestreos oceanográficos, cabe señalar que estos no son

específicamente para la investigación de los océanos, algunas de estas aeronaves

se enuncian posteriormente en la tabla 1.

Diseño de UAV’s en México

En México existen solo dos empresas dedicadas a la creación de UAV’s, la primera de ellas y con mayor antigüedad es Hydra Technologies de México la cual es una empresa mexicana dedicada al diseño y construcción de aviones no tripulados para sistemas aéreos de vigilancia. Dicha empresa con poco más de 100 empleados y creada desde mediados del 2008 ya cuenta con dos modelos de aviones no tripulados en operación, el S4 Ehécatl y el E1 Gavilán (hydra-technologies, 2012).

La segunda empresa es Aerovantech S.A. de C.V., la cual es una empresa dedicada al desarrollo de vehículos aéreos no tripulados de igual manera que la anterior, con la diferencia de que esta es de recién creación (2010), actualmente cuenta con dos

VIII

aeronaves, Demostrador tecnológico Alfa 3 y el Producto comercial Beta 1 (aerovantech, 2012).

Como se puede constatar ambas empresas tienen como principal oferta los servicios de vigilancia, a través de sus productos, ninguna aeronave está construida específicamente para uso científico.

Existe una tercera empresa mexicana llamada Topografía, Ingeniería y Aerofotogametría S.C., quien emplea aeronaves y helicópteros a escala controlados a través de radio control para toma de fotografías aéreas (topografía, 2012).

En todo el mundo existen poco más de 300 diferentes diseños de UAV’s empleados

para diferentes fines, de los cuales alrededor de 10 son de uso científico

exclusivamente, a continuación se enuncian algunos de estos UAV’s y su objetivo

para el que fueron creados (vehículos aéreos no tripulados, 2012).

UAV Fabricante Objetivo

Raven Investigadores de la Universidad de Clarkson

Recolectar datos debidos al viento y la turbulencia

Sirius II MAVinci Fotografía aérea y desarrollo de la ortofotografía

Globla Hawk Northrop Grumman Realizar misiones científicas de la tierra de larga duración

Fulmar Aerovisión Encontrar bancos de atún

Stardust II IDETEC Fotografiar mediante una cámara multiespectral para

orografía de precisión

Tabla 1. UAV’s usados para investigación.

Algunos de estos aviones persiguen un objetivo similar al que se quiere efectuar

con el UAV Tonatiuh, en cuanto a apoyar a la investigación.

Historia del UAV Tonatiuh

Esta aeronave surgió de un proyecto de la ESIME U.P. Ticoman del Instituto

Politécnico Nacional con el objeto primeramente de recabar información para hacer

IX

un libro sobre la Ingeniería Aeronáutica en México, en donde se mencionen los

diferentes proyectos que han existido sobre la fabricación de aviones en México

(Vásquez Flores, 2012).

De ahí se menciona el Proyecto “Tonatiuh”, un avión de entrenamiento y enlace en

donde además de recabar información sobre el proyecto, se pretendía fabricar una

réplica a escala de la aeronave Tonatiuh, la cual se retomó con el objeto de llevarlo

al siguiente escalón, es decir manejarlo a través de radio control, para posterior a

ello hacerlo autónomo. Esto debido a que cuenta con características útiles para el

proyecto.

Análisis estructural

Para llevar a cabo esta idea es necesario efectuar un análisis estructural de las

partes que conforman el UAV Tonatiuh de modo de asegurar que el fuselaje sea

seguro de operar. A lo largo de la historia los métodos de análisis estructural han

evolucionado, desde el método de prueba y error, empleado por los antiguos

egipcios y griegos, hasta las configuraciones altamente sofisticadas que se usan

actualmente.

No fue hasta que los métodos mejorados de análisis indeterminado les permitieron

a los diseñadores predecir las fuerzas internas en construcciones de concreto

reforzado, que el diseño dejo de ser semíempirico, estos métodos consistían en

cálculos simplificados basados en el comportamiento observado y experimental, así

como en los principios de la mecánica. Con la introducción de la distribución de

momentos de Hardy Cross, los ingenieros adquirieron una técnica relativamente

simple para analizar estructuras continuas.

En años recientes, las computadoras y la investigación de materiales han producido

cambios importantes en la capacidad del ingeniero para construir estructuras con

fines específicos, como los vehículos espaciales.

Aunado a esto, el desarrollo de matrices de rigidez para vigas, placas y elementos

cascarón permitieron a los diseñadores analizar muchas estructuras complejas de

una manera rápida y precisa, provocando que las estructuras que a mediados del

siglo XX llevaban meses para analizar a equipos de ingenieros, hoy en día un

ingeniero, con la ayuda de una computadora, la pueda analizar en pocos minutos

con mayor precisión. (Leet, 2007)

X

METODOLOGÍA

1) Búsqueda de información acerca de UAV’s empleados para la investigación

oceanográfica y estado del arte de esta misma.

2) Modelar en un paquete con CAD la bancada y fuselaje del UAV Tonatiuh.

3) Analizar y calcular las cargas a las que estarán sometidas estas dos partes del

UAV Tonatiuh, cumpliendo las reglas establecidas en el FAR 23.

4) Realizar un análisis estático al fuselaje y la bancada del UAV Tonatiuh mediante

un programa con MEF (Solid Works).

5) Analizar los resultados obtenidos después del análisis y encontrar los puntos de

mayor esfuerzo que pueden provocar un daño a la estructura, siguiendo las

normas del FAR 23.

6) Optimizar la estructura de la bancada y el fuselaje del UAV Tonatiuh y realizar

el mismo estudio a la nueva estructura.

7) Construir dichas estructuras y finalizar la construcción y adaptación del UAV

Tonatiuh.

8) Acondicionamiento del equipo de video y cámara fotográfica.

9) Realizar vuelos de prueba.

10) Realizar vuelos en sito para la toma de fotografía y video con una cámara

normal.

11) Obtener los resultados y conclusiones del proyecto.


1

1

1.1 OCEANOGRAFÍA

En las aguas de los mares abundan sustancias de gran utilidad, tales como petróleo,

piedras preciosas, metales, sustancias químicas, entre otras; de la misma forma la

diversidad de flora y fauna del mar es inmensa, ya que se encuentran desde

organismos microscópicos, hasta especies de varias toneladas de peso, que

conforman las enormes cadenas alimenticias de este ambiente.

Para aprovechar todas las riquezas oceánicas, se deben de conocer y respetar las

leyes que las protegen. De esta manera se evitará el rompimiento del orden de la

naturaleza, y los recursos seguirán siendo indefinidamente, fuentes no agotadas de

alimentos, medicinas, materias primas y de placer para el género humano

(Cifuentes et al., 1986).

Desde el origen de la especie humana el océano ha despertado siempre una gran

curiosidad, de aquí que el hombre a lo largo de su evolución haya sentido una

necesidad de perfeccionar el conocimiento científico sobre el mar.

No se sabe cuándo fue que inicio la necesidad del hombre por conocer los océanos,

como de la misma forma no resulta sencillo establecer cuándo se originó la ciencia

de la oceanografía. Sin embargo, se puede determinar que está ciencia se creó

mucho antes del nacimiento de la historia escrita, cuando el hombre primitivo se

hizo a la mar para pescar, comerciar y luchar, es decir, cuando comenzó a acumular

una serie de conocimientos empíricos que significaron la base para iniciar el estudio

del océano(Cifuentes et al., 1986).

Así en 1911, los estudios del océano empezaron a ser más complejos, pues se

contaba con novedosos equipos para conocer la temperatura, salinidad y

profundidad.

De esta ambición por el conocimiento marino surge la oceanografía, que es el

estudio e investigación de los mares y océanos, incluyendo la génesis, estructura y

morfología de los fondos oceánicos, la constitución y propiedades físico-químicas

de las aguas, la dinámica de éstas, los organismos que habitan en ellas y sus

relaciones inter e intra específicas con el ambiente, y en general, todos los procesos

que intervienen en su equilibrio o alteración (Cifuentes et al., 1986).

Actualmente, la cantidad de información con la que se cuenta es tan inmensa, que

es imposible que una sola ciencia la englobe. Por ello, el estudio de los océanos es

realizado por un complejo de ciencias y tecnologías que, en su conjunto, constituyen

las llamadas ciencias del mar, las cuales a su vez dan forma a la oceanografía.

CAPITULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN OCEANOGRÁFICA Y DE LOS UAV’S PARA INVESTIGACIÓN

2

2

2

Las cuatro ciencias básicas que forman las ciencias del mar son:

Oceanografía geológica.

Oceanografía química.

Oceanografía física.

Oceanografía biológica.

A la par de estas cuatro ciencias básicas, se han desarrollado ciencias aplicadas y

tecnológicas, tales como, ingeniería marina, geofísica marina, meteorología marina,

antropología submarina, bioquímica marina, farmacología marina, minería marina,

electrónica marina, hidroacúatica y tecnología de alimentos del mar, entre otras

(Cifuentes et al., 1986).

1.1.1. OCEANOGRAFÍA GEOLÓGICA

La geología se define generalmente como la ciencia que estudia la tierra, este

estudio se ha limitado casi en su totalidad a los continentes que paradójicamente

constituyen únicamente el 28% de la superficie de la Tierra. El estudio del 72%

restante es abordado por la geología marina, en la cual se incluyen investigaciones

sobres las características de las costas, la plataforma, el talud continental y los

fondos del océano. La topografía, sedimentos, datos geofísicos, así como el efecto

de los organismos marinos en el fondo del océano y en la acumulación de

sedimentos constituyen también objeto de estudio de la Oceanografía geológica

(Suárez Zozaya, 1977).

El conocimiento inicial de la estructura y formación de los fondos marinos se guiaron

únicamente por especulaciones teóricas, debido a la ausencia de técnicas y equipo

adecuado que pudiera proporcionar información, a consecuencia de esto se

comenzaron a condicionar hipótesis y teorías surgidas de los estudios geológicos

terrestres, de esta manera se fueron interpolando estas ideas y se comenzó a

recrear una vaga idea de la constitución de los fondos marinos.

Para obtener la información del fondo marino, el geólogo marino utiliza dos métodos,

el directo y el indirecto. En el directo el investigador colecta la muestra o toma la

información personalmente desplazándose hasta el sitio donde se encuentra está.

Por el contrario en los métodos indirectos, se utilizan instrumentos diseñados

especialmente para la recolección de muestras o para la obtención de información

sin la intervención directa del investigador.

Dentro de esta misma ciencia surge la investigación geofísica la cual se preocupa

por la obtención de información de la corteza y manto terrestre submarino, para este

tipo de investigación se han logrado introducir diversos métodos. Por ello se han

desarrollado métodos que incluyen mediciones de las propiedades físicas, y

sedimentología de las rocas e interpretación de estos datos para hacer la

descripción de las mismas.


3

1.1.2. OCEANOGRAFÍA QUÍMICA

La Oceanografía Química es la ciencia que describe, explica y predice el medio en

el cual ocurren los eventos biológicos, geológicos y físicos; y la forma en que el

ambiente puede controlar o limitar dichos eventos.

Químicamente, el agua de mar se puede considerar como una disolución de sales

en agua pura, disociadas en sus correspondientes iones. El 99% de estas sales está

constituido por once tipos de iones, de los que el cloro y el sodio se encuentran en

cantidades muy superiores al resto.

Como es natural la proporción en que cada uno de los elementos se encuentra

disuelto en el agua de mar es extraordinariamente diferente, variando entre

márgenes muy amplios, pues frente al cloro que es el elemento disuelto en mayor

cantidad, hay otras substancias disueltas en proporciones infinitamente pequeñas.

Además del hidrógeno y del oxígeno el agua de mar consta de once componentes

principales; Sodio, potasio, magnesio, calcio, y estroncio, como cationes; y cloruros,

bromuros, fluoruros, sulfatos, bicarbonatos y boratos o ácido bórico como aniones

(Suárez Zozaya, 1977).

Esencialmente la oceanografía química, en orden de conocer los componentes que

se encuentran en el mar, busca lo siguiente:

Gases Disueltos

pH

Potencial de Reducción y Oxidación

Oxigeno

Bióxido de Carbono

Constituyentes de Proporcionalidad variable

Fósforo

Silicatos

Constituyentes Secundarios

1.1.3. OCEANOGRAFÍA FÍSICA

La oceanografía física es la ciencia que se ocupa de la descripción del estado físico

del mar, incluyendo sus variaciones en espacio y tiempo, de la misma forma

describe los procesos físicos que ocurren en el océano y determina su estado y con

esto predice los aspectos del comportamiento de los sistemas.

Así mismo, describe la distribución de masas de agua, las condiciones que la forman

y los grandes sistemas de corrientes que las dispersan y las mezclan,

esencialmente esta ciencia trata los movimientos del mar; como se generan, su

energía e interacción y las diversas formas de propagación de la energía (Suárez

Zozaya, 1977).


4

4

4

La física como la química se base en aspectos principales, tales como:

Salinidad

Densidad

Presión

Mareas

Dando un más énfasis a las características siguientes debido a que estas se pueden

llevar a cabo mediante el UAV.

1.1.3.1 Temperatura

La temperatura es un indicador de la cantidad de energía en forma de calor que

posee un cuerpo. En oceanografía la temperatura cuando es estimada en grados

centígrados, se requiere una precisión de 0.02 °C, en alta mar o en lugares donde

los gradientes son muy débiles, no siendo necesaria dicha precisión para

localidades costeras o parajes con gradientes fuertes y variables.

La distribución de temperaturas en el mar se relaciona, por una parte, con la

intensidad de los procesos que aportan o quitan calor en los distintos puntos del

globo, y por otro lado con la propia circulación de las aguas que realizan un

transporte de calor en su seno. Ambos procesos están íntimamente vinculados a la

circulación general atmosférica.

Debido a las características fisicoquímicas del mar, la temperatura y salinidad, están

íntimamente ligadas entre sí y debido a la circulación y distribución de las masas de

agua en los océanos, numerosos hechos que atañen a la distribución de

temperaturas sólo pueden comprenderse partiendo del estudio de la relación

temperatura-salinidad en las masas de agua de los océanos.

La temperatura influye sobre la distribución, actividad y características de todos los

seres vivos. La moderación de las temperaturas en las aguas marinas no representa

ciertamente límite alguno para la vida, que prospera desde las aguas más frías,

hasta las zonas someras y charcas de marea del litoral.

La distribución de muchas especies se comprende fácilmente a través del promedio

anual o estacional de las temperaturas y la presencia de determinadas especies es

indicador seguro de determinadas características térmicas.

1.1.3.2. Transparencia

Es la aptitud que presenta el agua, para ser atravesada por la luz.

La radiación solar consta de una gama muy amplia de longitudes de onda; el agua

es prácticamente opaca para la radiación ultravioleta y para la infrarroja; el 50% de


5

la radiación solar corresponde a radiaciones de onda larga que se absorben casi

totalmente tras un trayecto inferior a un metro y se emplean en calentar las aguas

superficiales. El resto en forma de luz, atraviesa el agua hasta mayor profundidad y

su perdida en intensidad depende de la longitud de onda y de la transparencia del

agua.

En las capas superiores, la dirección de los rayos luminosos es prácticamente

cenital, hasta los niveles en que la difusión predomina y borra cualquier dirección

aparente a la luz, entonces se alcanza luminosidad uniforme y difusa.

1.1.3.3. Corrientes

Son movimientos de translación de grandes masas de agua, las principales causas

de esta translación es la diferencia de nivel de los océanos; ya que es indudable

que si existe desnivel entre dos masas de agua que se comuniquen, el líquido ira

del lugar más alto al más bajo, otra razón es la diferencia de temperatura, debido a

que el agua fuertemente calentada en la zona tórrida, aumenta de volumen, lo que

ya es causa de que su nivel suba; pero además debido a este aumento de espacio

la densidad disminuye y tiende a que la masa suba; conforme una gran zona

marítima tienda a elevar su superficie se irán formando corrientes de descarga que

circularan de los puntos cálidos ecuatoriales en dirección a los fríos circumpolares.

Las corrientes marinas tienen gran influencia en el conjunto de las condiciones

meteorológicas medias de determinados puntos costeros. Las fuertes diferencias

de temperatura que en algunas de las corrientes se observan en relación a las

aguas que las limitan y por las que irrumpen, influyen sobre las capas atmosféricas

en contacto y proximidad y lógicamente en la temperatura y en el clima de los países

costeros.

1.1.4 OCEANOGRAFÍA BIOLÓGICA

Los océanos se consideran como los más grandes y poblados ecosistemas, ya que

probablemente existe fitoplancton de bajo de cada metro cuadrado, y dado que en

alguna forma la vida se extiende hasta mayores profundidades. También

biológicamente son los más diversos. Los organismos marinos exhiben una

increíble variedad de adaptaciones.

Los factores físicos tales como olas, mareas, corrientes, salinidades, temperaturas,

presiones e intensidades de la luz, determinan grandemente la formación de las

comunidades biológicas, las que a su vez, tienen influencia considerable sobre la

composición de los sedimentos del fondo y los gases en solución. (Suárez Zozaya,

1977).


6

6

6

1.1.4.1. Zonación del medio marino

El medio marino se divide tomando cuenta su distancia a la costa y grado de

penetración de la luz en:

1) Organismos pelágicos que viven en suspensión en el agua ya sea inmóviles

o bien nadando lentamente o en forma eficaz y rápida.

2) Organismos bentónicos que son los que viven fijos sobre el fondo, arena,

barro, rocas, o bien no fijos, pero cercanos al fondo.

La zona de aguas someras de la plataforma continental es la “zona nerítica”. La

zona de mareas es la llamada “zona litoral”; la región de alta mar más allá de la

plataforma continental se designa como “zona oceánica” y la “zona batial” es la

región de la pendiente y la ascensión continental, la cual puede ser geológicamente

activa, con trincheras y desfiladeros sujetos a erosión y avalanchas subterráneas.

El área de las profundidades oceánicas o sea la región abisal puede situarse en

cualquier punto entre 2,000 y 5,000 metros. Las trincheras pueden bajar más allá

de 6,000 metros.

La zonación vertical correspondiente está condicionada por la penetración de la luz,

con una zona de compensación que separa una delgada zona eufótica, de una zona

afótica bastamente más gruesa.

Las comunidades en cada una de las zonas primarias, excepto la eufótica, suelen

tener dos elementos o componentes verticales distintos: el pelágico y el bentónico.

El pelágico se divide en planctónico y nectónico.

1.1.4.2. Necton

Se caracteriza por ciertos organismos de acuerdo a su estructura, función y hábitos.

Son organismos pelágicos cuyos órganos de locomoción y forma del cuerpo están

adaptados para la natación. Su patrón de distribución está limitado por la

temperatura, profundidad y proximidad a la costa.

Excluyendo las plantas, los peces dominan en número y biomasa. En determinadas

circunstancias se incluyen en este grupo, moluscos, reptiles, aves (subacuáticas) y

mamíferos.

Los tipos de peces vivientes se calculan en unos 22,000 y más de 20,000 de ellos

son peces óseos. En su mayoría los peces viven en el mar, pero hay alrededor de

7,000 especies dulceacuícolas.

Los reptiles son animales adaptados para la vida sobre la Tierra. Sin embargo

algunos miembros como la tortuga, cocodrilo y serpientes marinas, se han adaptado

a las condiciones ambientales de los mares tropicales y subtropicales formando

parte del medio ambiente nectónico.


7

Aunque las aves son organismos voladores, han frecuentado el medio acuático

desde que aparecieron sobre la tierra, existen 7 órdenes de aves que se adaptaron

especialmente a la vida en o cerca del agua, presentando modificaciones tales

como, patas unidas por una membrana, o bien largas extremidades que les permiten

desplazarse en aguas someras y alimentarse en el medio acuático. Estas

adaptaciones han hecho que las aves ocupen no sólo aguas interiores, sino también

hábitats marinos.

Tres órdenes del grupo de los mamíferos se han adaptado en mayor o menor

medida a la vida marina. Sin embargo, todos ellos conservan sus características

típicas de los mamíferos, tales como, regulación de la temperatura del cuerpo,

hábitos vivíparos y habilidad para respirar en el aire. Esta última característica hace

que estos animales deban ascender a la superficie a intervalos regulares, ya que no

pueden obtener del agua el oxígeno necesario para la respiración.

1.1.5. RESULTADOS

Las conclusiones que resultan del estudio científico del mar han sido y permiten ser

de aplicación en una gran variedad de actividades tales como la pesca, la extracción

de productos de utilidad industrial, la náutica, la ingeniería costera, las operaciones

militares, la meteorología y el turismo.

1.2 MUESTREOS

El objetivo primordial de las ciencias del mar es el de conocer y entender los

procesos que ocurren en los mares y océanos, así como su relación con los medios

colindantes. Para investigar el mar hay que irse a él, y puesto que el desarrollo del

ser humano no fue nunca como el de un organismo acuático, ni mucho menos

marino, necesita inventar toda clase de equipos e instrumentos para alcanzar sus

objetivos dentro del medio marino (Ingvar, 2000).

Por definición sabemos que un muestreo es una técnica empleada para el análisis

de un grupo de casos o eventos, a efecto de obtener cierta probabilidad o

certidumbre en relación a las características del universo analizado. Es por ello que

los muestreos forman una parte vital de esta investigación como de cualquier otro

tipo de investigación.

Para llevar a cabo una investigación y realizar un muestreo adecuado, es necesario

pensar y estipular correctamente cuatro aspectos fundamentales, para llevar a cabo

este.

1) Planeación

2) Preparación

3) Ejecución

4) Regreso


8

8

8

Antes de comenzar a realizar el plan para el muestreo, es necesario conocer como

en cualquier investigación cual es el objetivo u objetivos de este, ya que esto pondrá

una pauta para lo que se debe de realizar a medida de lograr ese objetivo, es por

esto que los objetivos planteados, deben dar una respuesta clara a lo que se

pretende hacer y por qué, y de la misma forma saber qué problemas se desea

resolver y cómo, para ello es indispensable conocer o investigar los aspectos

generales del área de estudio, así como los aspectos ambientales, entre otros.

Parte importante de estos muestreos, consiste en saber si existe algún antecedente

sobre el problema o situación que se va a tratar, pero principalmente se debe

conocer los recursos con los que se cuentan, estos recursos son humanos,

materiales y financieros, este último aspecto hablando de los recursos en general,

debe de realizarse muy rigurosamente, ya que una falla en este punto pudiera

ocasionar serios inconvenientes.

Una vez considerado estos puntos se puede comenzar a realizar el plan que se va

a seguir para llevar a cabo un correcto muestreo, de modo que lo primero a

considerar en está planeación es la logística del proyecto es decir, los medios

necesarios para el transporte del material y personal, tanto de ida como de regreso,

así como el alojamiento del mismo y la alimentación, de la misma forma se debe

establecer los medios de transporte para el personal y el equipo de muestreo, pero

en este caso los que van a servir de enlace entre el punto de alojamiento y el área

de estudio.

Los planes deben ser muy realistas, ya que una planeación realista y cuidadosa es

necesaria para el éxito absoluto del muestreo. Cualquier cambio debe de ser

platicado en grupo, para tomar la mejor decisión, en caso de que existan diversas

opiniones acerca de cuál es la mejor forma de continuar, el encargado del proyecto

es el que tiene la última palabra.

1.2.1. MÉTODOS DE MUESTREO

Existen diversos tipos de muestreos que se pueden realizar dependiendo las

circunstancias o el objeto de estudio. Entre ellos se encuentran:

1.2.1.1. Topohidrografía y Cartografía

Desde el momento en que se describe el área de estudio, se requiere de un plano

base para representar la información obtenida de alguna porción de nuestro planeta,

a manera de conocer las características de la cuenca o fondo marino, como su

profundidad, relieve, tamaño y forma, entre otros datos morfo métricos, pero

también es esencial saber cómo se representa esta información en planos o cartas

(Márquez García, 2000).


9

Para realizar este tipo de muestreo es preciso conocer que la topografía es la

ciencia que tiene por objeto determinar posiciones relativas o absolutas de cualquier

rasgo puntal, lineal, de área o de volumen que se encuentran en la superficie del

planeta, así como su representación en un plano.

Una vez comprendido este punto, es necesario conocer que equipo se emplea para

este muestreo dentro de los que encontramos una cinta métrica o flexómetro,

estadal o regleta, brújula, nivel de mano, GPS, entre otros; cabe señalar que existe

una gran diversidad de equipos topográficos desde los más simples como el

flexómetro, hasta los más complejos equipos electrónicos y de rayo láser, pero

todos estos equipos han sido desarrollados con la intención de desarrollar una o

diversas operaciones topográficas, únicamente lo que varía es la precisión y

exactitud de las mediciones.

Los levantamientos topográficos son las técnicas que nos servirán para trazar

mapas o planos del área de estudio, estos levantamientos para el caso de trabajos

de investigación en las ciencias del mar se denominan topohidrográficos, para

realizar estos levantamientos se utilizan diversos métodos dependiendo de la

información que se quiera conocer como delimitación de un cuerpo de agua, perfil

de playa o batimetría.

Para el caso de la delimitación de un cuerpo de agua o alguna isla, en la actualidad

se utiliza un GPS y/o fotografía aérea, ya que a través de los puntos geográficos

obtenidos se puede delimitar esa área o isla; en el caso del perfil de playa se toman

los niveles a diferentes distancias perpendiculares a la línea de costa en un método

conocido como nivelación diferencial simple y por último para el caso de las

batimetrías de nueva cuenta se utiliza un GPS y con una cuerda o una sondaleza

se miden las profundidades, generalmente esto se utiliza para zonas someras, en

el caso de zonas marinas se utilizan ecosondas.

1.2.1.2. Muestreo en Oceanografía Física

Para la oceanografía física el conocimiento del campo, en todo el volumen del

océano, de las características de los parámetros físicos y de las corrientes, es el

punto de inicio para tratar de comprender los procesos físicos del océano. La

herramienta básica de los métodos oceanográficos es esencialmente el ingenio

(Alatorre Mendieta, 2000).

Para el conocimiento de un parámetro se realiza lo que se denomina cala

oceanográfica, la cual consiste en observaciones en una columna de agua a

distintos niveles, con el auge de la tecnología, se han desarrollado instrumentos,

que automáticamente a través de sensores miden diferentes parámetros de forma

continua a lo largo de la columna de agua, denominado CTD (por sus siglas en


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10

10

ingles Conductivity, Temperature, Depth) capaz de medir la conductividad,

temperatura y profundidad.

El objetivo principal de este muestreo es conocer las corrientes que existen en el

mar, ya sea a través de correntómetros fijos o boyas a la deriva para obtener esta

información de manera rápida o utilizar los valores de la conductividad, temperatura

y con ello utilizar la densidad para con esta obtener las corrientes.

De modo que para obtener los valores de conductividad y temperatura es necesario

utilizar un equipo CTD como ya se explicó o una botella para la toma de muestra de

agua a diferentes profundidades para su posterior análisis, ambos instrumentos se

basan en el mismo método de cala oceanográfica tradicional, para el muestreo de

columna de agua.

Por otro lado la medición de corrientes a través de boyas a la deriva, se realiza

utilizando boyas especiales que cuentan con un contrapeso y un elemento de

resistencia el cual es empujado por la corriente lo que hace que la boya se desplace

a la deriva pero en la misma dirección que la corriente, una vez pasado un

determinado tiempo se toma el ángulo y la distancia que se desplazó para después

de la toma de las muestras necesarias se determine la corriente en ese lugar. En el

caso de correntómetros fijos, se deben instalar varias instalaciones y dejarlas

durante varias semanas para su posterior recuperación y análisis de datos.

Equipos más modernos incluyen los ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)

1.2.1.3. Muestreo en Oceanografía Química

Estos métodos corresponden esencialmente a diversas alternativas de recolección

de agua, o bien, cuando es posible, a metodologías que permiten la determinación

directa o indirecta de algunas propiedades químicas sin necesidad de recolecta de

una muestra de agua (Merino Ibarra, 2000). Los principales muestreos u

observaciones pueden agruparse dentro de las siguientes categorías:

Muestreadores Puntuales.

Sistemas de Bombeo

Métodos in situ

Dentro de estos muestreos cabe mencionar el siguiente:

1.2.1.3.1. Sensores Remotos.

El estudio de los océanos mediante sensores instalados en globos, aviones y

especialmente en satélites, ha abierto diversas posibilidades que han revolucionado

la oceanografía; si bien éstos permiten detectar propiedades físicas, principalmente


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ópticas, actualmente es posible obtener inferencias indirectas sobre algunos

parámetros químicos.

Otra ventaja que hace esta alternativa muy útil y atractiva es la posibilidad de cubrir

áreas muy grandes. La gran limitación de los sensores remotos para las

determinaciones químicas es que aún no es posible utilizarlos para determinar

concentraciones de especies químicas; la aplicación actual en este campo se centra

en la estimación de las concentraciones de pigmentos fotosintéticos, así como la

productividad primaria misma.

Otra gran desventaja general es que solo permiten estudiar la superficie del océano

o, en el mejor de los casos, una capa delgada que no pasa de unos cuantos metros

de profundidad.

1.2.1.4. Muestreos en oceanografía geológica

Un estudio geológico puede variar dependiendo de los objetivos de investigación

que se planteen; si solo se trata de un muestreo básico de geología, donde

únicamente se requiere conocer las características superficiales de los sedimentos

y batimetría de la región, es diferente que si requiere de un estudio de columnas

sedimentaria (Merino Ibarra, 2000).

Existen principalmente dos tipos de muestreadores geológicos:

1) Las dragas que permiten recolectar sedimentos superficiales y con ello,

efectuar un estudio geológico horizontal.

2) Los nucleadores, con los cuales se obtienen una columna sedimentaria y se

puede establecer un análisis geológico vertical.

1.2.1.5. Muestreo del Necton

Un aspecto importante a considerar son los objetivos del estudio, porque a partir de

ellos se dará la pauta en la jerarquización de las escales espaciotemporales a

considerar, cabe señalar que la relación espacio-tiempo tiene un comportamiento

exponencial (Bernal y Mena, 2000).

La base ideal en la que se debe fundamentar la evaluación de poblaciones de peces

está constituida por datos que representan completamente a la población, sin que

existan errores sistemáticos o sesgos; sin embargo, en la práctica es posible que

sea muy difícil obtener datos de tal calidad, debido a las artes de pesca a utilizar o

por la misma aleatoriedad que presenta el necton. Por ello, el propósito de cualquier

planeación de recolección de datos sobre poblaciones de peces, debe tener como

objetivo obtener muestras que representen significativamente a la población que se


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12

investiga en forma completa, y que permitan conocer las posibles fuentes de sesgo,

a fin de determinar la manera en que la toma de muestras pueda ser corregida.

En general se conocen cuatro tipos de muestreos: sistemático, adaptativo, aleatorio

y estratificado. Dentro de esto se utilizan los diferentes artes de pesca.

En general las artes de pesca se rigen por cinco mecanismos principales de captura

que son:

Enmalle

Trampas

Filtración

Anzuelos

Bombeo

Dentro de este tipo de muestreo se encuentra uno en el cual, un UAV podría tener

participación.

1.2.1.5.1. Localización de Peces

Uno de los aspectos importantes para optimizar el muestreo es la localización previa

de los peces, esto se puede realizar de diferentes maneras: 1) observación desde

la superficie del mar, 2) ecosondeo y 3) aviones y helicópteros.

Hablando del último tipo de localización este ha sido muy desarrollado actualmente

por que disminuye costos en cuanto al arrastre, pero los eleva por el mantenimiento

de estos aparatos.

1.2.1.6. Muestreo en mamíferos marinos

Afortunadamente no todas las especies de mamíferos marinos están en peligro de

extinción, por lo que en la actualidad existe un mayor interés por parte de los

gobiernos y organizaciones internacionales para su conservación, lo que ha

impulsado la realización de investigaciones científicas dirigidas a conocer el estado

actual de las poblaciones, así como el desarrollo y perfeccionamiento de los

métodos para llevarla a cabo (Ortega, 2000).

El estudio de la distribución y abundancia es esencial para lograr un adecuado

manejo y conservación de los mamíferos marinos; además permite obtener una

imagen más completa de las características del sistema y los procesos que en él

ocurren.

La mayoría de las técnicas que se emplean actualmente para la estimación de

abundancia de mamíferos marinos no involucran la captura de los animales, para


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reducir el estrés o evitarlo totalmente. Para este tipo de muestreo se utiliza un

método en particular.

1.2.1.6.1. Fotoidentificación

Cuando se logra identificar a los individuos de una población, se puede obtener

información acerca de varios aspectos de su ecología y comportamiento; en

estudios sobre dinámica poblacional y organización social, el investigador requiere

saber con certeza quien es quien dentro de la población y, para identificar a los

organismos, se puede recurrir al marcaje o, en su caso, utilizar las marcas naturales

presentes en los organismos.

Además del marcaje, en algunos casos es posible identificar a los individuos

utilizando marcas naturales, como pueden ser patrones de coloración o cicatrices;

este método tiene la ventaja de no requerir de la captura ni la implantación de

marcas, eliminando posibles efectos adversos en los individuos.

Las fotografías utilizadas para identificar a los individuos deben ser de muy buena

calidad; para lograrlo, y debido a que en muchas ocasiones el investigador no se

puede acercar demasiado a los organismos, se recomienda emplear telefotos con

distancia focal mayor a 200 mm.

La fotoidentificación presenta complicaciones, ya que no solo el objeto se encuentra

en movimiento, sino que la embarcación se desplaza para seguir a los animales y

se bambolea debido al oleaje y al viento.

1.2.1.7. Muestreo de Bentos

Los diferentes tipos de sustrato permiten y limitan la existencia de diferentes

asociaciones faunísticas; por ello, los organismos son indicadores, más o menos

selectivos y rigurosos del hábitat en el que viven y lo pueden caracterizar.

Una de las primeras decisiones que es necesario considerar al plantear un muestreo

es si éste será cualitativo o cuantitativo, condición que será dictada directamente

por los objetivos del estudio, y tendrá consecuencias en el nivel de sofisticación de

las técnica a emplear (Solís et al., 2000).

La fotografía, la televisión y el video, así como los sensores remotos, son métodos

no intrusivos con los que no se obtiene físicamente la muestra sino su imagen. Las

técnicas visuales tienen la ventaja de no ser destructivas ni selectivas, es decir que

permiten la repetición de observaciones del mismo sitio en el tiempo y no obligan a

extraer especímenes de su medio.

La fotografía submarina y desde la superficie se utiliza comúnmente para registrar

datos sobre la estructura, ecología y comportamiento de los organismos; sin


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embargo, para utilizar este método se necesita muy buen clima y poco viento, así

como mucha claridad en el agua. Otra problemática es la protección de los aparatos

de la brisa y agua marina, altamente corrosivas, que pueden rápidamente inutilizar

el equipo.

La fotografía utilizada para la investigación puede manejarse en blanco y negro, a

color, en infrarrojo e infrarrojo cercano. La fotografía desde la superficie dirigida de

manera oblicua da una buena interpretación de las áreas características del coral

con fines de mapeo y reconocimiento preliminar. Otro tipo de método consiste en

realizar fotografía aérea vertical, por ejemplo con globos de helio que se deslizan a

una altura constante, a lo largo de una línea predeterminada sobre el área de

estudio. Estos globos se manejan a poca altura 35-50 m sobre la superficie del mar

y con referencias cercanas que sirvan de escala. Con la información obtenida se

puede hacer fotogrametría.

1.2.2. USO DEL BUCEO Y VEHÍCULOS SUBMARINOS

El hombre pensó en adentrarse en las profundidades del mar para conocerlo,

explorarlo y viajar a través de él desde tiempos inmemorables, y de hecho no se

puede pensar en métodos más precisos y adecuados para muestrear los fondos

marinos que la observación y toma directa de las muestras (Padilla et al., 2000).

1.2.2.1. Submarinos tripulados o dirigidos a control remoto

Estos vehículos se han multiplicado en los últimos años, pero son del dominio

exclusivo de las naciones con mayor desarrollo económico, pues tanto la tecnología

necesaria para construirlos como el costo de operación y mantenimiento están

mucho más allá del alcance de la mayoría de los países del mundo.

Las ventajas de estos vehículos para realizar investigaciones son enormes, ya que

se puede observar directamente el medio y obtener muestras puntuales. Cuentan

además con varias cámaras externas de fotografía y video que ayudan a registrar y

documentar lo observado, sin embargo, una desventaja, además del costo, es el

tiempo reducido de autonomía y observación, ya que estos submarinos tienen un

tiempo de permanencia en el agua de pocas horas.

Los vehículos operados a control remoto (ROV por sus siglas en ingles), son otra

herramienta valiosa en la investigación oceanográfica; son robots equipados con

cámaras de fotografía y video, un brazo hidráulico para muestrear el fondo, y

sistemas de posicionamiento sofisticados. La ventaja sobre los anteriores es que no

hay necesidad de cuidar de la integridad física de sus ocupantes y se pueden

introducir, por su menor tamaño, en lugares inaccesibles a los submarinos

tripulados.


15

1.2.2.2. Buceo

El uso de buceo circunscribe el estudio a ambientes marinos costeros, debido

principalmente a que las técnicas de buceo más comunes permiten el acceso a una

profundidad limitada de 50 metros, sin embargo con equipo especializado pudiera

llegar a 100 m.

Se debe tener presente que este método cuenta con dos limitantes importantes:

1. El tiempo de permanencia en el agua.

2. La profundidad a la que se puede hacer el muestreo.

Para este tipo de muestreo es necesario definir, las características generales de la

población objeto de estudio y especificar las variables a muestrear y las escalas de

medición. No se debe olvidar que también se tiene que considerar el proceso de

captación de información, el análisis e interpretación de los resultados, cálculos del

tamaño de muestra, y los recursos y apoyos logísticos con que se cuenta.

Los métodos más usados son al Azar Simple, al Azar estratificado, Sistemático y

Polietápico, dentro de los cuales se pueden usar cuadrantes y transectos. El

principal objetivo es maximizar la eficiencia, es decir, proporcionar la mejor

estimación estadística con los límites de confianza lo más pequeños posibles y al

más bajo costo.

1.3 UAV

El termino UAV es un acrónimo de las siglas en inglés Unmanned Aerial Vehicle,

que significa vehículo aéreo no tripulado, es decir una aeronave que no tiene un

piloto abordo. Los UAV’s pueden ser aviones controlados a control remoto o pueden

volar autónomamente basados en planes de vuelo pre-programados o sistemas de

automatización dinámicos más complejos.

Para distinguir los UAV’s de los misiles, un UAV está definido por la capacidad de

ser controlado, mantener el nivel de vuelo y ser impulsado por un cohete o un motor

reciproco. La FAA con el creciente desarrollo de este tipo de aeronaves ha adoptado

el acrónimo UAS (Unmanned Aircraft System), es decir sistemas aéreos no

tripulados, para reflejar que estos complejos sistemas incluyen estaciones de tierra

y otros elementos a parte del vehículo aéreo (theuav, 2013).

Los UAV’s se diferencian según el objetivo que persigan en las siguientes

categorías:

Objetivo y señuelo

Reconocimiento

Combate

Investigación y desarrollo

Civiles y comerciales


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Cabe señalar que la mayoría de los UAV están incorporados a las primeras cuatro

categorías.

1.3.1. FUNCIONAMIENTO

Este tipo de aeronaves son fáciles de operar, comenzando con el despegue este se

puede realizar de dos maneras diferentes, despegar desde el suelo o ser lanzado

mediante una catapulta, en el caso de que no se cuente con alguna pista de

despegue.

Ya en vuelo el avión puede realizar misiones pre-programadas o ser dirigido desde

una estación en tierra, en la misma que se monitorea los parámetros de vuelo, así

como las imágenes obtenidas mediante una cámara en el UAV.

Para el caso del aterrizaje el UAV puede aterrizar en una pista o amerizar, por medio

de un paracaídas o en su defecto ser capturado mediante una red.

Cabe señalar que este tipo de aeronaves puede realizar toda la misión de manera

autónoma si así se requiere.

1.3.2. UTILIDADES

Enfocándonos en los usos de los UAV’s que salgan del plano militar, estos pueden

apoyar o colaborar en diversas actividades (aplication-for-aerial-photos, 2012),

dentro de las cuales se encuentran:

Reducción y prevención del riesgo de desastre:

Las imágenes de aéreas provista por este tipo de vehículos, permitirían estudiar el

nivel de riesgo de una determinada área en caso de suscitarse algún desastre y de

la misma forma pueden colaborar en el análisis para determinar los factores que

pueden originar un escenario catastrófico.

Respuesta y actuación urgente:

Dichas aeronaves podrían proporcionar información valiosa a los equipos de

emergencia durante o inmediatamente después de producirse un desastre, para

salvar vidas y evaluar los daños en el momento, para comenzar a realizar un plan a

modo de dar solución a la contingencia.

Protección del medio ambiente y vida salvaje:

Es posible documentar una situación concreta y estudiar los cambios que se puedan

afectar a dicho entorno, de la misma forma una perspectiva aérea ayuda a identificar

los cambios que difícilmente serían observables desde el suelo.


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Geografía y cartografía:

En el siglo XX la fotografía aérea reveló ser una herramienta muy importante en el

proceso del alzado de mapas, ya que las fotografías aéreas proporcionan una

imagen objetiva física y topográfica de una zona concreta en el tiempo.

Sistemas de vigilancia y seguimiento:

Dichos aviones colaboran en la vigilancia de grandes áreas, fronteras y litorales

marinos.

Publicidad:

El uso de estas aeronaves para la obtención de imágenes aéreas en la producción

de películas es muy frecuente porque mediante la combinación de diferentes

técnicas, puede obtenerse el efecto o ambiente deseado.

1.3.3. UTILIZACIÓN DE UAV’S EN INVESTIGACIÓN

En México solo existen dos empresas dedicadas a la creación de UAV’s, la primera de ellas y con mayor antigüedad es Hydra Technologies de México la cual es una empresa mexicana dedicada al diseño y construcción de aviones no tripulados para sistemas aéreos de vigilancia. Dicha empresa con poco más de 100 empleados y creada desde mediados del 2008 ya cuenta con dos modelos de aviones no tripulados en operación, el S4 Ehécatl y el E1 Gavilán que están siendo utilizados en México para efectos de ecología, protección civil, vigilancia y la guerra contra el narcotráfico (hydra-technologies, 2012).

La segunda empresa Aerovantech S.A. de C.V., la cual es una empresa mexicana, dedicada al desarrollo de vehículos aéreos no tripulados de igual manera que la anterior, con la diferencia de que esta es de recién constitución en el año 2010, actualmente cuenta con dos aeronaves, Demostrador tecnológico Alfa 3 y el Producto comercial Beta 1 (aeovantech, 2012).

Como se puede constatar ambas empresas tienen como principal oferta los servicios de vigilancia, a través de sus productos, ninguna aeronave está construida específicamente para uso científico.

Figura 1. UAV’s S4 Ehécatl y E1 Gavilán.


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La tercera empresa mexicana se dedica a dar soluciones topográficas que

responden a los niveles de precisión que requieren las Ingenierías modernas así

como constructores, desarrolladores inmobiliarios, organismos públicos, empresas

de conducción y telecomunicaciones en México.

Esta empresa utiliza fotografías obtenidas por aeronaves operadas a control

remoto, para ayudad de los proyectos tanto de ingeniería como de arquitectura.

Dicha empresa utilizo la aerofotogametría para localizar el proyecto del aeropuerto

de la Ciudad de México en una superficie de 100,000 hectáreas en el Valle de

México (topografía, 2012).

A nivel internacional existen diversas empresas o centros de investigación que

desarrollan UAV para investigación, como empresas que los utilizan.

Para el primer caso de empresas se encuentra en España, el centro avanzado de

tecnologías aeroespaciales (CATEC), que surgió como una respuesta a los retos

que tiene hoy en día planteados el sector aeroespacial, constituyendo una

herramienta fundamental de desarrollo del mismo.

Dicha empresa desarrolla una importante labor de cooperación con las

Universidades y la Industria, apoyando principalmente a las PYMES del sector. Este

centro tecnológico desarrolla su actividad en base a siete líneas estratégicas, dentro

de las cuales se encuentran los UAV’s con sus aplicaciones y tecnologías

asociadas, poniendo especial atención a aplicaciones comerciales, civiles y de

seguridad (catec, 2012).

Algunas otras organizaciones que persiguen estos objetivos son el Instituto

Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) en España también e IDETEC UAV en

Chile.

El primero cuenta con un amplio programa de investigación para el desarrollo de las

tecnologías necesarias que permitan el diseño y construcción de una gama de

aviones no tripulados. Algunos de sus frutos son el SIVA, ALO y MILANO (inta,

2012).

La segunda empresa aporta soluciones a la industria civil y militar, ya sea

actualizando su equipamiento electrónico o incorporando nueva tecnología en

alguna operación aérea, siendo pioneros en la integración y operación de este tipo

de plataformas en la región. Mediante sus UAS Stardust II y Sirol221 (idetec-uas,

2012).

Por el otro lado la empresa Advanced Aining Technology Center (amtc), ha

implementado la tecnología de los aviones no tripulados para la minería, este

proyecto lo está llevando en conjunto con IDETEC-UAV Chile; estas empresas se

han planteado desarrollar un UAV que permita realizar mediciones de escala

regional y alta resolución espacial de variables de interés para la minería e industrias

asociadas, tales como concentración de contaminantes atmosféricos (gases y


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partículas), condiciones meteorológicas (viento y estabilidad), magnetismo,

recursos hídricos y geología superficial, entre otros.

Debido a su flexibilidad y bajo costo de operación, un UAV es la plataforma ideal

para realizar prospección de geo-recursos (minerales, agua, entre otros),

levantamientos topográficos y magnéticos, aerofotografía y mediciones

medioambientales aplicadas a minería, en especial en terreno de topografía

compleja como los estrechos valles y cajones cordilleranos de nuestro país,

aseguran estas dos entidades (amtc, 2012).

1.3.4. UAV’S PARA INVESTIGACIÓN

En todo el mundo existen poco más de 300 diferentes diseños de aviones

reconocidos, de los cuales alrededor de 10 son de uso científico exclusivamente, es

decir no fueron creados con fines de uso militar, a continuación se enuncian algunos

de estos UAV’s y su objetivo para el que fueron creados

(vehículos_aereos_no_tripulados, 2012).

Raven. Creado por un grupo de investigadores de la Universidad de Clarkson

y su objetivo es recolectar datos debidos al viento y la turbulencia.

Furos. Diseñado por CAT UAV, utilizado para fotografía aérea,

retransmisiones deportivas, control de subvenciones agrícolas, visualización

de incendios y apoyo a las unidades de emergencia en caso de catástrofes.

Global Hawk. Adquirido por la NASA y creado por Northrop Grumman, cuyo

objetivo es realizar misiones científicas de la tierra de larga duración, ya que

tiene una autonomía mayor de 31 horas.

Fulmar. Construido por Aerovisión, cuya principal misión es ayudar a los

pesqueros, para encontrar bancos de atún.

UAV Stardust II. Desarrollado por IDETEC, construido para tomar fotografías

con una cámara multiespectral para agricultura de precisión, cámara de RGB

y sistema de transmisión de video en tiempo real.

UAV Sirius I y Sirius II. Pertenecen a la firma alemana MAVinci y son sistemas

especialmente diseñados para la ortografía.

A continuación se presentan las características de 4 UAV’s cuyo objetivo y sistemas

incorporados es algo similar, a lo que se quiere realizar con el UAV Tonatiuh. Esto

con la intención de mostrar algunas características que estos aviones guardan o

conocer que características son indispensables a considerar para la construcción

de este tipo de aeronaves.


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1.3.4.1. Fulmar

Construido por Aerovisión y denominado como sistema de teledetección aéreo

fulmar. Este sistema consiste en un UAV (Fulmar) de pequeño tamaño con piloto

automático con capacidades de tomar y transmitir video en tiempo real o imágenes

infrarrojas, una catapulta, una estación de control en tierra y una red de

recuperación (aerovsion-uav, 2012).

El UAV despeja desde una catapulta que puede ser colocada en tierra o en un buque

y puede se recupera por medio de una red de recuperación en tierra o tiene la

posibilidad de aterrizar en el mar.

Figura 2. UAV Fulmar montado en catapulta de lanzamiento y realizando un amerizaje.

Características:

Tipo Ala voladora

Característica

Envergadura 3,10 m

Longitud 1,23 m

Peso máximo de despegue 19 kg

Motor Motor de 2 tiempos de combustión interna(Potencia: 2,75 HP/2 Kw)

Autonomía 8 horas. 800 km de distancia a velocidad crucero con carga completa

Tabla 2. Características del UAV Fulmar


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1.3.4.2. Furos

El Furos construido por CAT UAV es un UAV de medio alcance, guiado por piloto

automático. Dispone de un amplio espacio destinado a carga útil en la zona central

del fuselaje y de un sistema de morro modular pensado para albergar cámaras

térmicas (catuav, 2012).

La elevada potencia de su motor y su especial diseño aerodinámico le permiten

despegar y aterrizar en muy poco espacio desde terrenos no preparados.

Figura 3. UAV Furos

Características:

Característica

Envergadura 2.280 mm

Longitud 1.750 mm

Peso en vacío 5.910 g

Peso mínimo en vuelo 6.540 g

Peso máximo 11.000 g

Motor Zenoah G260PU 25,4 cc

Autonomía(sin reserva) 6 h

Tabla 3. Características del UAV Furos


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1.3.4.3. Sirius II

El UAV Sirius II como su predecesor el Sirius I son UAV’s especialmente diseñados

para la ortofotografía, pertenecientes a la firma alemana MAVinci.

El UAV Sirius II está especialmente diseñado para la documentación de

representación de Topografía de áreas en construcción, cartografía, seguimiento de

obras, zonas de desastre, cultivos y bosques, canteras, entre otras aplicaciones.

(Mavinci, 2012)

Fabricado en fibra de vidrio de plástico reforzado y fibra de carbono.

Figura 4. UAV Sirius II

Características:

Característica

Envergadura 200 cm

Longitud 130 cm

Peso total 3,3 kg

Carga útil 550 gr

Autonomía 30 min(con 550gr y una batería)

Motor 2 Eléctricos Brushless

Tabla 4. Características del UAV Sirius II


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1.3.4.4. Stardust II

Sistema No-Tripulado Multi-Rol de Bajo Costo. Esta nueva versión incluye opciones

de carga de útil para adquisición de imágenes con cámara multiespectral para

agricultura de precisión, cámara RGB y sistema de transmisión de video en tiempo

real. Diseñado y construido por IDETEC UAV CHILE (idetec-uas, 2012).

Sistema listo para volar (RTF) de operación simple con navegación y adquisición de

imagen en forma automática con referencias IMU y GPS.

Opciones de carga de útil:

Cámara Multiespectral Tetracam ADC Lite

Cámara RGB Canon PowerShot SX120 IS

Sistema de transmisión de video (3W) con cámara fija

Figura 5. UAV Stardust II con su sistema de control en tierra

Características:

Característica

Envergadura 3,1 m

Longitud 1,63 m

Peso total 3,2 kg

Carga útil 550 gr

Autonomía 80 min

Motor 4.2cc – 2 Cycles o Electrico Brushless

Tabla 5. Características del UAV Stardust II


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Considerando las características de estos UAV’s se puede notar la utilidad de una

catapulta, y las ventajas y desventajas de utilizar motores eléctricos

Estudiando estas ventajas y desventajas y tratando de imaginar la utilización de un

UAV con ciertas capacidades similares a estas aeronaves se demuestra la utilidad

en un plano teórico de la utilización de una aeronave.

Actualmente los precios de estos UAV’s rondan entre los 35.000 €, debido al corto

presupuesto que se maneja para estas investigaciones este excede dicho

presupuesto, es por eso que ante la falta de recursos se propone la creación de un

nuevo diseño que cumpla los requerimientos necesarios para estas investigaciones.

1.3.5. UAV’S PARA INVESTIGACIÓN OCEANOGRÁFICA.

En la actualidad no se ha encontrado registro alguno de cualquier tipo de UAV, que

haya sido utilizado específicamente para la investigación oceanográfica, es decir

que haya participado activamente en cualquiera de los diferentes tipos de muestreo

antes mencionados.

Es por ello que tras la utilización de un UAV para realizar estos diversos muestreos

o como apoyo para realizar dichas investigaciones los resultados serían más

gratificantes.

Cabe señalar que tras la integración de una cámara multiespectral y ciertos

sensores en un UAV, este podría participar activamente en diversos muestreos.

1.3.6. UAV TONATIUH

Esta aeronave surgió de un proyecto de la ESIME U.P. Ticoman del Instituto

Politécnico Nacional con el objeto de fabricar una réplica a escala de la aeronave

Tonatiuh, mismo proyecto que quedó inconcluso, es por ello que esta aeronave a

escala se retomó debido a que contaba con características útiles para el proyecto.

Esto debido a las características que presentaba el Tonatiuh, ya que era un avión

monomotor ligero 5 plazas, de ala alta y estructura tubular, que desarrollaba una

velocidad de hasta 195 km/h, pudiendo ser utilizado como entrenador primario para

pilotos, como aeronave utilitaria o como medio de enlace, se describía

principalmente al Tonatiuh como un avión robusto y sencillo.

La réplica a escala del Tonatiuh se encontraba en etapas primarias de construcción,

ya que solo se tenía parte del fuselaje, el ala y estabilizador horizontal.

El fuselaje está construido en su mayoría por madera de balsa y madera de triplay,

contaba con soportes para el ala fabricados de madera de pino. A la estructura aun


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le faltaba reforzar algunas partes y recubrir con madera de balsa ciertos fragmentos

de la estructura.

El ala está construida con perfiles de madera balsa y madera de triplay, la parte

central estaba recubierta de madera balsa, así como también el borde de ataque,

los perfiles estaban hechos tomando como base el perfil NACA 23012.

El estabilizador horizontal y el timón de profundidad están construidos de madera

balsa en su mayoría y una pieza por cada parte de madera de abeto (spruce).

Es un avión de ala alta, con el gran beneficio de que permite que el fuselaje se

encuentre lo más cercano al piso y no se tenga la interferencia del ala, con ello se

puede colocar la cámara en el fuselaje sin tener que modificar el ala y aún más la

ubicación del ala permite que las puntas del ala no golpeen con el suelo y pueda

ocurrir un daño estructural. Cierta característica importante a considerar con la

posición del ala es que sirve, para que se tenga una corta carrera de despegue y

aterrizaje, debido a que la posición permite suficiente espacio para el tamaño

necesario de flaps de modo que se pueda obtener un coeficiente de levantamiento

alto (Raymer, 1989).

Por su geometría es un avión robusto, teniendo como ventaja que se le puede

integrar a él una gran cantidad de equipo por el espacio que tiene en el interior del

fuselaje, con ello se es factible la colocación de la cámara en una posición adecuada

y equipo adicional en caso ser necesario.

Por último este avión se diseñó para ser muy estable y volar a baja velocidad, lo

cual es de gran utilidad, ya que la cámara necesita que el avión mantenga un vuelo

estable y a baja velocidad para obtener imágenes nítidas.

Característica

Envergadura 1,66 m

Longitud 1,13 m

Peso total 2.5 kg

Carga útil 0.5 kg

Motor 0.60 Os Max

Tabla 6. Características del UAV Tonatiuh

Realizando un análisis DAFO o FODA, con los datos expuestos anteriormente, se

puede deducir que la propuesta del trabajo tiene potencialidades de éxito, debido a

que el modelo propuesto es de costo bajo comparado con los otros prototipos

expuestos, así como también la no existencia de modelos de UAV’s para la

realización de este tipo de investigaciones abre un gran campo de oportunidades,

para la inserción del UAV Tonatiuh como apoyo a las investigaciones

oceanográficas.


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Sin embargo es necesario garantizar la seguridad de su uso y comprobar que la

estructura es capaz de soportar las cargas a las que se verá sometida, para con ello

poder ampliar las herramientas disponibles de los investigadores oceanográficos.


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2.1. ANÁLISIS ESTRUCTURAL

La determinación de las fuerzas y deformación de las estructuras, provocadas por

la aplicación de diferentes tipos de cargas, se le conoce como análisis estructural.

El análisis estructural se ve implicado dentro del diseño estructural, ya que en este

último se incluye la disposición y el dimensionamiento de la estructura, así como de

sus partes que la componen, de manera que estas mismas soporten en forma

satisfactorias las cargas colocadas sobre ellas. (McCormac, 2002)

2.1.1. METODOLOGÍA DE DISEÑO

Una estructura consiste en una serie de partes conectadas, entre si con el fin de

soportar una carga. El proceso de crear cualquiera de estas estructuras requiere de

planeación, análisis, diseño y construcción. (Hibbeler, 2012)

2.1.1.1. Planeación

Para un correcto planteamiento de alguna situación con el fin de resolverla, es

necesario que se especifiqué claramente cuál es el problema que se requiere

solucionar, para ello es indispensable suprimir datos excesivos, tratando de dejar

solo la información fundamental para el proyecto y reconocer cualquier información

ausente que deberá ser recopilada.

Hablando específicamente de las estructuras, a menudo se requieren consultar

varios estudios independientes antes de decidir cuál es la forma (arco, armadura,

marco, etc.) más apropiada. Una vez tomada esta decisión, se especifican entonces

las cargas, materiales, disposición de los miembros y sus dimensiones en conjunto.

Está claro que la habilidad necesaria para llevar a cabo estas actividades de

planeación se adquiere normalmente después de varios años de experiencia en el

arte y ciencia de la ingeniería.

CAPITULO 2. ANÁLISIS ESTRUCTURAL

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2.1.1.2. Análisis

Antes de poder realizar cualquier tipo de análisis sobre alguna estructura, es

necesario definir dónde se encuentran los apoyos de la estructura y en qué puntos

y como se van a aplicar las distintas cargas que se ven involucradas, especificadas

antes en el planteamiento del problema, de la misma forma se debe conocer y

precisar de qué manera están conectadas entre sí las diferentes partes que

componen la estructura a analizar.

Una vez especificado lo anterior, se puede realizar el análisis, para encontrar las

fuerzas en los miembros y sus desplazamientos, pudiéndose llevar a cabo por

diversos métodos que se han desarrollado hasta la actualidad basados todos ellos

en la teoría de la mecánica estructural, algunos de los métodos utilizados son:

Método de superposición

Método de área de momento

Método de desplazamientos

Método de energía

Método de la rigidez

Método de las flexibilidades

Método de elementos finitos (FEM)

Como se puede apreciar existe una gran cantidad de métodos para la solución de

los diversos problemas que se pudieran encontrar al diseñar estructuras, sin

embargo se debe de ser cuidadoso, en la selección de que método emplear, ya que

la correcta selección puede reducir el tiempo y la facilidad para resolver el problema

planteado.

Para este problema en particular se decidió emplear el MEF, ya que es un método

numérico para la solución de problemas que involucran un alto grado de

complejidad, provocado por la dificultad de su geometría, la aplicación de las cargas

sobre la estructura y el uso de las diferentes propiedades de los materiales, debido

a estas complicaciones enunciadas, no es posible obtener alguna solución analítica

directamente de expresiones matemáticas.

Cabe aclarar que este método no deja de ser una aproximación a la solución del

problema, sin embargo esta es lo bastante aproximada a la realidad gracias a los

avances en la tecnología hoy en día, lo cual repercute en tener un diseño óptimo de

la estructura al finalizar los análisis.


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Sin embargo debido a la misma aproximación del método, es necesario realizar

unas últimas pruebas con el modelo físico del diseño, bajo condiciones controladas.

2.1.1.3. Diseño

Para ingeniería el diseñar implica saber cómo y qué pasos se necesitan seguir para

producir un proyecto o sistema útil al mundo físico real, que satisfaga ciertos

requisitos de funcionamiento predeterminados. (Hill, 1995)

Por ende póstumo al análisis, es necesario determinar si el tamaño y posición de

los elementos que conforman la estructura es el adecuado, de manera que se

satisfagan los criterios de resistencia, estabilidad y deflexión, como está asentado

en las normas y códigos en vigor, de lo contrario se deberá modificar el modelo.

Cubiertos los criterios establecidos de diseño y construcción, es importante detallar

en el plano de construcción las dimensiones y el tipo de conexiones que se tienen,

de modo que no exista ningún tipo duda al momento de hacer físicamente nuestra

estructura o sistema.

2.1.1.4. Presentación de resultados y/o construcción

Al presentar los resultados obtenidos estos usualmente se presenta en forma de

cálculos, planos, dibujos y/o especificaciones. Un diseño es bueno solamente si su

presentación conduce, sin confusión o ambigüedad, a la producción o construcción

de una entidad física o sistema.

En caso de que se requiera construir la estructura, es necesario ordenar los diversos

componentes de la estructura y planear las actividades que implica el montaje real

de está.

2.1.2. PRINCIPIOS BÁSICOS

El campo de la ingeniería estructural abarca una extensa variedad de estructuras,

aparte de los puentes y edificios, de donde se pueden mencionar casos como

estadios, torres de transmisión de energía eléctrica, arcos y mucho más.

A parte de las estructuras ya mencionadas, existen también algunas cuyo tipo no

se encuentra necesariamente dentro del campo de la ingeniería civil, como por

ejemplo, barcos y aviones. El tamaño de las estructuras varía desde marcos


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pequeños con pocas vigas y columnas, hasta como por ejemplo, el moderno avión

A380 de la compañía Airbus que mide 79,75 metros de envergadura, 24,09 metros

de altura y 72.72 metros de longitud. (Airbus, 2013)

Los principios básicos que se aplican en el análisis estructural son las leyes del

movimiento de Sir Isaac Newton, las cuales se pueden expresar con la ecuación:

∑ 𝐹 = 𝑚𝑎

Dentro de este trabajo trataremos con un tipo de equilibrio, denominado equilibrio

estático, en el cual el sistema no está acelerado, de modo que la ecuación anterior

toma la forma:

∑ 𝐹 = 0

Para poder aplicar este principio al análisis estructural, es necesario que las

estructuras se encuentren fijas o que se muevan con una velocidad constante, como

por ejemplo los vehículos espaciales en órbita. Utilizando este principio se

estudiaran las fuerzas que actúan sobre la estructura, para con ello determinar los

desplazamientos y fuerzas que ocurren en cada componente. (McCormac, 2002)

Con base en los diferentes análisis que se pueden tener, se pueden resaltar los

siguientes principios básicos, a manera de tener una mejor comprensión de estos.

2.1.2.1. Exactitud

Los resultados del análisis estructural del mundo real no son precisos, son

solamente aproximados, esto se denota más cuando los análisis de un diseño

estructural se relacionan con algún tipo de modelo matemático.

Un modelo matemático es una ecuación o grupo de ecuaciones que pueden

representar características del mundo físico. Las soluciones a tales modelos deben

de ser exactas por que las matemáticas son exactas, sin embargo, el modelo puede

no representar completamente a su contraparte del mundo real, es por esta razón

que los resultados obtenidos son únicamente aproximados.

Con esto mientras mejor sea representado el mundo real por un modelo

matemático, más apegado a la realidad serán los resultados del cálculo. (Hill, 1995)


31

2.1.2.2. Factor de incertidumbre

Para compensar la falta de precisión al tratar problemas del mundo físico, se ha

incluido un margen para errar en cada diseño. Este margen se conoce como factor

de incertidumbre, este factor es aplicado de maneras divergentes, lo que conduce

a dos términos distintos. (Hill, 1995)

Factor de seguridad, dicho factor proporciona un esfuerzo permisible de

trabajo usado con las cargas reales.

Factor de carga, factor que se multiplica por las cargas reales de trabajo para

obtener las cargas últimas que se utilizan con los esfuerzos últimos.

2.1.2.3. Tipos de esfuerzos

Solamente existen dos tipos de esfuerzos normal (axial) y tangencial (cortante). Este

concepto de solamente dos tipos de esfuerzos puede parecer sobre-simplificado,

especialmente si uno se ha iniciado en el estudio de la Teoría de la Elasticidad.

Para dejar más claro este punto ejemplificaremos este hecho mencionando que, un

esfuerzo de contacto es un esfuerzo normal inducido por el contacto de la superficie

de un cuerpo sobre otro, de la misma forma un esfuerzo de torsión es un esfuerzo

tangencial inducido por torsión. El claro entendimiento de la relación entre el tipo de

esfuerzo y la fuerza que lo induce, aunado con la creación de una imagen mental

de los esfuerzos normal y tangencial producidos, son de incalculable valor, para la

compresión de este hecho. (Hill, 1995)

2.1.2.4. Formas de falla

Una estructura puede fallar de dos maneras primarias, ya sea por sobrecarga

(resistencia insuficiente) o por deformación excesiva (rigidez insuficiente).

Para el primer caso supongamos un material que es de resistencia insuficiente, por

lo que se despedaza, desgasta, rasga o rompe, en tanto en el segundo caso,

suponiendo que la estructura es de rigidez insuficiente y se deforma

considerablemente, la estructura tendría una curvatura excesiva, vibraría

extensamente o se pandearía. (Hill, 1995)

Es importante reconocer que las estructuras que son diseñadas adecuadamente

para cargas estáticas bajo temperaturas normales pueden ser completamente

inseguras para condiciones que involucren cargas dinámicas (incluyendo impacto y


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32

32

fatiga) y/o temperaturas inmoderadas (incluyendo falla en frío extremo y

deformación excesiva debida al flujo plástico en calor extremo). Sin embargo, aún

en esas condiciones, la falla última se debe a sobrecarga o a deformación excesiva.

2.1.2.5. Tipos de Análisis

En general, se reconocen tres tipos de análisis, (1) históricamente el más importante

se basa en las características de un material idealmente elástico-lineal. (2) De

importancia creciente es el análisis basado en la hipótesis de un material elástico-

plástico perfecto. (3) Sin embargo en algunas aplicaciones, el análisis no lineal es

el único camino para encontrar resultados válidos. (Hill, 1995)

2.1.2.6. No-linealidades

Transformar al mundo físico en un modelo matemático, no proporciona ganancia

alguna si la formulación no se puede resolver, debido a esto muchos modelos son

versiones linealizadas del mundo real no lineal, en general existen tres clases de

no-linealidades.

Cabe señalar que a medida que se desarrollan técnicas matemáticas, que

empleadas en conjunción con las computadoras electrónicas pueden dar solución

a formulaciones complejas que se consideraban difíciles de resolver en un pasado

reciente.

Los tres tipos de no linealidades son:

1) Las no-linealidades geométricas, que provienen de suponer que los ángulos

y las longitudes de los miembros permanecen constantes entre las

condiciones sin carga y con carga., sin embargo al aplicar la carga los

miembros se alargan y giran de modo que los resultados son erróneos.

2) Las características físicas de los materiales son a menudo no-lineales, pero

en el enfoque tradicional a menudo se supone características linealmente

elásticas. Obviamente el error no es grande dentro de un rango limitado, pero

tales representaciones elásticas están siendo reemplazadas lentamente por

unas aproximaciones más realistas, tal que los factores de seguridad global

sean más uniformes.

3) Las configuraciones de carga pueden conducir rápidamente a no-linealidades


33

2.1.3. ESTRUCTURAS

Es importante reconocer los diversos tipos de elementos que componen una

estructura y poder clasificar de forma rápida las estructuras de acuerdo con su forma

y función, a manera de formular una idea vaga de como reaccionara la estructura a

las cargas que van hacer aplicadas.

2.1.3.1. Elementos estructurales.

Algunos de los elementos más comunes de que constan las estructuras son los

siguientes. (ONI, 2003)

Largueros.- Viga que se extiende a lo largo del ala. Es el componente principal

de soporte de la estructura, su función es soportar los esfuerzos de flexión y

torsión.

Costillas.- Son estructuras que conforman el ala, estas dan resistencia a la

torsión, las cual tienen la forma del perfil y transmiten la carga del revestimiento

a los largueros, estas se encuentran intercaladas a lo largo del ala y están

colocadas de manera perpendicular a los largueros.

Revestimiento.- Su función es la de dar y mantener la forma aerodinámica,

pudiendo contribuir también en su resistencia estructural.

Cuadernas.- Son piezas curvas, que dan forma al fuselaje del avión, sobre

estas se remacha o suelda el revestimiento

2.1.3.2. Tipos de estructuras aeronáuticas

A la combinación de los elementos estructurales y los materiales de que están

hechos se le llaman sistema estructural. Cada sistema está constituido de uno o

más de cuatro tipos básicos de estructuras, clasificados por el grado de complejidad

de su análisis, tales tipos son los siguientes.

Armaduras. Consisten en barras en tensión y elementos esbeltos tipo

columna, usualmente dispuestos en forma triangular. Las armaduras planas

se componen de miembros situados en el mismo plano y se usan a menudo

para puentes y techos, mientras que las armaduras espaciales tienen

miembros en tres dimensiones y son apropiadas para grúas y torres. (Hibbeler,

2012)


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34

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Monocoque o monocasco. Consiste en un casco hueco delgado sin órganos

transversales ni longitudinales, también se llama así al fuselaje formado por

anillos distanciados entre sí, a los cuales se les fija el revestimiento. La palabra

monocasco, se deriva de monocoque, que significa “cascara o curva plana

simple sin refuerzo”.

Semi-Monocoque. Para este caso de fuselaje, se agregan refuerzos

longitudinales (largueros o larguerillos) a la estructura tipo monocasco.

Cabe señalar que existe una versión reforzada de este, a la cual se refuerza el

recubrimiento con anillos verticales, llamados cuadernas, así como también se

agregan perfiles angulares de distinta forma.

2.1.4. MATERIALES

En un pasado reciente los principales materiales estructurales fueron acero,

concreto reforzado y muchas clases de madera. Cuando se usaron estructuras,

todos ellos fueron analizados por métodos elásticos. Ahora, en lugar de un tipo de

acero hay muchos y el diseño puede ser elástico y/o plástico.

Cabe señalar que los diversos materiales poseen diferentes resistencias relativas

que se miden por sus esfuerzos permisibles, sus rigideces y por su módulo de

elasticidad.

Es por eso que es importante conocer las características del material a emplear,

algunas de estas características que se pueden enunciar, son la tendencia hacia la

fractura frágil, el cambio de características con el tiempo o bajo cargas, los efectos

nocivos de cargas repetidas o ambientes agresivos, etc.

Para el caso del presente trabajo únicamente se hablara de la madera y sus

diferentes tipos empleados para la construcción del UAV Tonatiuh.

2.1.4.1. Madera

Los principios fundamentales de análisis y diseño en madera se basan en

comportamiento elástico lineal del material. La madera tiene algunas características

particulares, que se deben tomar en cuenta durante el proceso de diseño. Para

determinar los esfuerzos permisibles, se deben conocer las dimensiones nominales,

el empleo y la clasificación de la madera.

Algunas de las características principales de la madera se enuncian a continuación:


35

1) Fb esfuerzo permisible para flexión(anteriormente denominado f)

2) Ft tensión permisibles paralela a la veta (anteriormente t)

3) Fv esfuerzo cortante horizontal permisible VQ/Ib o 3V/2ª (anteriormente

llamado H)

4) FcP compresión perpendicular a la veta , empleado para el diseño de apoos

yy uniones (anteriormente Cp)

5) Fc compresión paralela a la veta, empleado para el diseño de columnas y

uniones (anteriormente c)

6) E módulo de elasticidad.

Una vez que se escoge el material y se determinan los esfuerzos permisibles, se

deben tomar en cuenta posibles ajustes a estos esfuerzos: por humedad y duración

de la carga. Es recomendables que siempre que sea posible, se debe evitar

condiciones alternadas de mojado y secado. (Hill, 1995)

2.1.5. FUERZAS ESTRUCTURALES

Sobre un sistema estructural actúan fuerzas, debido a la influencia de estas toda la

estructura se encuentra en un estado de equilibrio estático, las fuerzas que actúan

sobre una estructura incluyen las cargas aplicadas y las reacciones resultantes.

(McCormac, 2012)

Las cargas aplicadas son las cargas conocidas que actúan sobre la estructura, estas

pueden ser resultado del propio peso de la estructura, de las cargas de ocupación,

de las cargas ambientales, entre otras. Por el contrario las reacciones son las

fuerzas que los soportes ejercen sobre una estructura, estas se consideran como

parte de las fuerzas externas aplicadas y se supone que equilibran a las otras

cargas externas sobre la estructura. Algunas de las cargas se describen a

continuación:

Cargas muertas.- Consisten en los pesos de los diversos miembros estructurales y

en los pesos de cualesquiera objetos que estén permanentemente unidos a la

estructura. En ciertos casos, una carga muerta estructural puede estimarse por

medio de fórmulas basadas en los pesos y tamaños de estructuras similares.

Cargas vivas.- Las cargas vivas pueden variar en magnitud y localización, y pueden

ser causadas por los pesos de objetos colocados temporalmente sobre una

estructura, por vehículos en movimiento o por fuerzas naturales. Usualmente esas


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36

36

cargas incluyen un margen para tener una protección contra deflexiones excesivas

o sobrecargas repentinas.

Cargas por fenómenos naturales.- Ejemplificando esto, un fenómeno natural que

puede, considerarse como una carga, es el flujo del viento, ya que la energía

cinética se convierte en energía potencial de presión, lo que causa la carga de

viento. El efecto del viento sobre una estructura depende de la densidad y velocidad

del aire, del ángulo de incidencia, de la forma y rigidez de la estructura y de la

rugosidad de su superficie.

Dentro de las cargas existen se encuentran las cargas de diseño las cual se

especifica en códigos, en general estos se dividen en dos diferentes tipos, los

códigos generales de construcción y los códigos de diseño. Los primeros

especifican los requisitos de instituciones oficiales relativos a las cargas mínimas de

diseño para las estructuras y los estándares mínimos para las construcciones,

mientras que los segundos proporcionan normas técnicas detalladas y se usan para

establecer los requisitos del diseño estructural (Laible, 1995). Los códigos de diseño

para el caso del diseño de UAV’s se especifican en el Anexo 1.

Sin embargo cabe resaltar, que los códigos proporcionan únicamente una guía

general para el diseño, la responsabilidad final del diseño reside en el ingeniero.

2.2. METODO DE ELEMENTOS FINITOS

El método de los elementos finitos (MEF) permite resolver casos que hasta hace

poco tiempo eran prácticamente imposibles de resolver por métodos matemáticos

tradicionales, lo que obligaba a la construcción de prototipos y la realización de

pruebas, con el objeto de hacer mejoras de forma iterativa, lo que conllevaba

consigo un elevado costo y un tiempo prolongado para su desarrollo.

Por el contrario, este procedimiento es un método numérico para la solución de

problemas que involucran un alto grado de complejidad, ya que se basa en crear un

modelo matemático del sistema real, con las ventajas claras de realizar

modificaciones con mayor facilidad y a un costo bajo. Sin embargo es importante

señalar, que no deja de ser un método aproximado de cálculo debido a la naturaleza

del sistema.

La gran ventaja de este método es la posibilidad de plantear una serie de

ecuaciones algebraicas simultáneas, en lugar de requerir la resolución de

ecuaciones diferenciales complejas, esto debido a que la estructura a analizar es

discretizada.


37

Aunado a esto los avances en la tecnología han puesto a disposición de los

usuarios, una gran gama de programas que permiten realizar cálculos con

elementos finitos, sin embargo a la par de utilizar estos programas, es necesario

tener un conocimiento general del material con el que se trabaja y los principios

fundamentales del método, con ello se estará en condiciones de garantizar que los

resultados obtenidos en los análisis se aproximen lo suficiente a la realidad.

Este método es aplicado para la solución de análisis estructural, problemas de

transferencia de calor, flujo de fluidos, transporte de masa, así como el cálculo de

potencial electromagnético.

El programa basado en MEF usado para el análisis de las estructuras fue

Solidworks, su funcionamiento es descrito en el Anexo 2.

2.2.1. HISTORIA

El método de discretización espacial y temporal y la aproximación numérica para

encontrar soluciones a problemas ingenieriles o físicos es empleado desde la

antigüedad, para encontrar vestigios de este tipo de cálculos podríamos

remontarnos a la época de la construcción de las pirámides egipcias. Los egipcios

empleaban métodos de discretizado para determinar el volumen de las pirámides,

así mismo, Arquímedes (287-212 a.C.) empleaba el mismo método para calcular el

volumen de todo tipo de sólidos o la superficie de áreas.

El desarrollo de los elementos finitos tal y como se conocen hoy en día ha estado

ligado al cálculo estructural fundamentalmente en el campo aeroespacial. En los

años 40 Courant propone la utilización de funciones polinómicas para la formulación

de problemas elásticos en subregiones triangulares, como un método especial del

método variacional de Rayleigh-Ritz para aproximar soluciones.

Fueron Turner, Clough, Martin y Topp quienes presentaron el MEF en la forma

aceptada hoy en día. En su trabajo introdujeron la aplicación de elementos finitos

simples (barras y placas triangulares con cargas en su plano) al análisis de

estructuras aeronáuticas, utilizando los conceptos de discretizado y funciones de

forma.

Esta visión del problema difundió un gran interés entre los matemáticos para la

solución de ecuaciones diferenciales lineales y no lineales mediante el MEF, que ha

producido una gran cantidad de publicaciones hasta tal punto que hoy en día el MEF

está considerado como una de las herramientas más potentes y probadas para la

solución de problemas de ingeniería y ciencia aplicada. (Zienkienwicz, 2000)


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En la actualidad este método aunado a los avances tecnológicos, ha favorecido su

uso a través de sofisticados paquetes gráficos que facilitan el modelado y la síntesis

de resultados, dando como resultado que hoy en día se puede realizar una relación

entre la técnicas de análisis estructural (CAE), las técnicas de diseño (CAD) y las

técnicas de fabricación (CAM).

2.2.2. CONCEPTOS GENERALES

La idea general del método de los elementos finitos es la división de una estructura

continua, en un conjunto de pequeños elementos finitos interconectados por una

serie de puntos llamados nodos. Las ecuaciones que rigen el comportamiento de la

estructura que se está trabajando, regirán también los elementos.

En cualquier sistema a analizar podemos distinguir entre:

Dominio. Espacio geométrico donde se va a analizar el sistema.

Condiciones de contorno. Variables conocidas y que condicionan el cambio

del sistema: cargas, desplazamientos, temperaturas, voltaje, focos de calor,

etc.

Incógnitas. Variables del sistema que deseamos conocer después de que las

condiciones de contorno han actuados sobre el sistema: desplazamientos,

tensiones, temperaturas, etc.

Existen dos acercamientos generales asociados al entendimiento y aplicación del

método MEF. El primero es llamado el método de fuerza o flexibilidad, el cual se

basa en el uso de fuerzas internas como las incógnitas del problema, para la

obtención de las ecuaciones gobernantes tienen que emplearse las ecuaciones de

equilibrio, por ello es necesario introducir después ecuaciones adicionales

generadas por las ecuaciones de compatibilidad. El resultado es el arreglo de

ecuaciones algebraicas redundantes que determinan las fuerzas internas

desconocidas.

El segundo acercamiento del método, es el llamado método de desplazamiento, o

rigidez, el cual asume el desplazamiento de nodos como las incógnitas del

problema. Por requerimiento del método de rigidez, se necesita que los elementos

estudiados se interconecten por nodos comunes entre sí, a lo largo de un eje común

o una superficie común de tal manera que aun después de que la deformación se

presente, los nodos permanezcan conectados al nodo común. Las ecuaciones

gobernantes son expresadas en términos de desplazamientos nodales usando las


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ecuaciones de equilibrio en cada nodo, de tal forma que se pueda aplicar la ley que

relaciona la fuerza con los desplazamientos.

Estos acercamientos, resultan en dos diferentes incógnitas (fuerzas y

desplazamientos) en el análisis y el uso de diferentes matrices asociadas a sus

planteamientos (flexibilidad y rigidez). (Rao, 1999)

A continuación se muestran algunas de las ideas básicas relacionadas con los

fundamentos del MEF aplicadas al caso estructural.

2.2.2.1. Discretización

Es el proceso de modelación de un cuerpo que consiste en la división equivalente

del mismo, en un sistema conformado por cuerpos más pequeños (elementos

finitos) interconectados por medio de puntos comunes o nodos, los cuales

conforman superficies y se comportan como volúmenes de control independientes,

los que a su vez son afectados por condiciones de frontera que afectan al cuerpo

estudiado como un todo.

Es de aquí de donde se parte la base fundamental de este método, que consiste en

la discretización del dominio en subdominios denominados elementos, este dominio

se subdivide en puntos (caso lineal), líneas (caso bidimensional) o superficies (caso

tridimensional) imaginarias, de modo que el dominio total de estudio se aproxime

mediante el conjunto de elementos en que se subdivide. Los elementos están

definidos por un número discreto de puntos, llamados nodos, que conectan entre si

los elementos y es sobre estos que se materializan las incógnitas fundamentales

del problema.

Para el caso de los elementos estructurales estás incógnitas son los

desplazamientos nodales, ya que a partir de éstos se puede calcular el resto de

incógnitas que son de nuestro interés tales como tensiones, deformaciones, etc. A

estas incógnitas se les denomina grados de libertad de cada nodo, los grados de

libertad son las variables que nos determinan el estado y/o posición del nodo.

Para obtener el comportamiento del elemento continuo, se formulan fórmulas que

relacionan el comportamiento en el interior del mismo con el valor que tomen los

grados de libertad nodales. Este paso se realiza por medio de funciones de

interpolación, ya que éstas ‘interpolan’ el valor de la variable nodal dentro del

elemento.


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40

40

2.2.2.2. Funciones de interpolación

Discretizado el sistema continuo, la idea es tomar un conjunto de funciones

(funciones de interpolación) que definan de manera única el campo de

desplazamientos dentro del elemento en función tomando como desplazamientos

los nodos del mismo. Es decir

{𝑢(𝑥, 𝑦, 𝑧)} = [𝑁(𝑥, 𝑦, 𝑧)]{𝑈}

Siendo U el vector con los desplazamientos nodales, una vez conocidos los

desplazamientos en todos los nodos se determinan las deformaciones.

{휀} = [𝐷]{𝑢}

donde [D] es el operador diferencial que depende del problema en estudio.

Sustituyendo el valor del desplazamiento tenemos que

{휀} = [𝐷][𝑁]{𝑢}

De donde se obtiene el valor de las deformaciones en función de los

desplazamientos nodales. Sustituyendo la ecuación anterior en la expresión del

Principio de los Trabajos Virtuales (PTV), dada por la siguiente expresión:

∫ {𝛿휀}𝑇[𝐶]{휀}𝑑𝑣 = ∫ {𝛿𝑢}𝑇({𝑋} − 𝜌{𝑖𝑖})𝑑𝑣 + ∫ {𝛿𝑢}𝑇{𝑡}𝑑𝑠

𝑆𝑉𝑉

Se tiene:

− ∫[𝐵]𝑇[𝐶][𝐵]{𝑈}𝑑𝑣 + ∫[𝑁]𝑇({𝑋} − 𝜌[𝑁]{𝑈})𝑑𝑣

𝑉

+ ∫ [𝑁]𝑇{𝑡}𝑑𝑠

𝑆𝑉

= 0

Reordenando esta ecuación podemos llegar a un sistema de la forma

[𝑀]{�̈�} + [𝐾]{𝑈} = {𝑃}

De donde se definen:

Matriz de masa consistente

[𝑀] = ∫ [𝑁]𝑇𝜌[𝑁]𝑑𝑣

𝑉

Matriz de rigidez


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[𝐾] = ∫ [𝐵]𝑇[𝐶][𝐵]𝑑𝑣

𝑉

Matriz de cargas nodales consistentes

{𝑃} = ∫ [𝑁]𝑇{𝑋}𝑑𝑣

𝑉

+ ∫[𝑁]𝑇{𝑡}𝑑𝑠

𝑆

La expresión anterior permite determinar las matrices elementales para cualquier

tipo de discretización, en el caso de estudios estáticos. (Zienkienwicz, 2000).

Las anteriores matrices expuestas se calculan para cada uno de los elementos,

realizando una transformación de coordenadas a las denominadas coordenadas

unitarias del elemento, las matrices quedan en función de parámetros puramente

geométricos, con ello se facilita la integración numérica. Antes de proceder al

ensamblaje del conjunto de ecuaciones, se realiza una transformación de

coordenadas para regresarlas a coordenadas globales.

Su acoplamiento en el sistema puede realizarse según el llamado método directo,

por el que se suma en cada posición nodal la contribución realizada por los distintos

elementos.

2.2.3. CONDICIONES DE CONTORNO (SOLUCIÓN)

Antes de obtener la solución del sistema de ecuaciones planteado, es necesario

imponer las condiciones iniciales, estas serán las condiciones de desplazamientos

nodales sobre los que se basara el sistema, para su análisis.

De aquí que el sistema se puede subdividir en dos términos, uno que contenga los

desplazamientos impuestos y otro las incógnitas, de modo que al resolver el sistema

se tendrá la solución, ya que al conocer los desplazamientos en cada nodo es

posible calcular otro tipo de magnitudes (deformaciones, tensiones, etc.).

2.2.4. EL PAPEL DE LA COMPUTADORA

A pesar de que el método de elementos finitos ya había sido empleado para

describir estructuras complejas, las cuales requerían la solución de una gran

cantidad de ecuaciones algebraicas asociadas a la modelación del fenómeno, la

obtención de una solución por medio del método de elementos finitos, se tornaba


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extremadamente difícil de resolver y por ende, de aplicar, por lo que pese a que la

modelación de estructuras y el entendimiento de las matemáticas de estructuras

estaba bien cimentado en la descripción del fenómeno físico, el método resultaba

impráctico. No fue hasta el advenimiento de la computadora, cuando la solución de

miles de ecuaciones en cuestión de minutos se hizo posible.

El desarrollo de la computadora, impulso el desarrollo de nuevas tecnologías, con

ello un gran número de programas enfocados a la solución de problemas generales

y especiales fueron realizados para la solución de problemas estructurales.


43

3

3.1. ANALISIS ESTRUCTURAL DEL FUSELAJE Y BANCADA

Considerando los requisitos descritos en el anexo 1 y lo expuesto anteriormente en

este capítulo, se comenzó a realizar el diseño de las piezas que conforman el

fuselaje, es por eso que este se dividió en las siguientes:

Estructura principal del fuselaje

Tapa fuego

Aumento de bancada

Soportes del ala

Parte inferior del fuselaje

Cabe resaltar que la parte inferior del fuselaje no se incluyó dentro de la estructura

principal, debido a que este es de un material diferente al empleado en esta pieza.

Una vez modelado las piezas se editaron sus características, para asignarle a cada

una las propiedades del material. Por ello en el caso de la estructura principal del

fuselaje se asignó el material “BALSA SW”, el cual está incluido dentro de la librería

de Solid Works. En el caso de los materiales de construcción de las piezas faltantes,

se necesitó de recopilar la información, ya que está no bien por defecto dentro del

programa, por ello se crearon dos materiales personalizados, descritos en la tabla

siguiente:

Propiedades PINO TRIPLAY 1/8

Módulo de

elasticidad en

X

110200 kg/cm2 10806928300 Pa 52133.84 kgf/cm2 5112583220.36 Pa

Coeficiente de

Poisson en XY

0.33 0.33 0.34 0.34

Módulo

cortante en XY

1780 kg/cm2 174558370 Pa 814.41 kgf/cm2 79866338.265 Pa

Densidad de

masa

0.00039 kg/cm3 0.000625 kg/cm3

*ELP 555 kg/cm2 544269907.5 Pa 234.36 kg/cm2 22982864.94 Pa

Tabla 7.- Propiedades del pino y triplay de 1/8 (López Sánchez, 2000) (Rodriguez y Vergara, 2008)

CAPITULO 3. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL FUSELAJE Y BANCADA DEL UAV TONATIUH

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Propiedades BALSA

Módulo de elasticidad en X 43700 kg/cm2 4285506050 Pa

Coeficiente de Poisson en

XY

0.3 0.3

Módulo cortante en XY 213.5 kg/cm2 20937197.75 Pa

Densidad de masa 0.00016

kg/cm3

*ELP 120.7 kg/cm2 11836626.55 Pa

Tabla 8.- Propiedades de la madera balsa

*ELP.- Esfuerzo en el límite proporcional

Posterior al modelado y asignación de material a las piezas se realizó el ensamble

declarando correctamente las relaciones de posición y haciendo un estudio de no

interferencias para evitar problemas al momento de mallar, como esta detallado en

el anexo 2.

Dando como resultado:

Figura 6.- Determinación de interferencias en el ensamble del fuselaje y bancada del UAV

Tonatiuh, en Solidworks

Una vez realizado el ensamblaje se empleó el complemento de simulación,

integrado en el programa de Solid Works, para llevar acabo el análisis estático.

Como ya se había especificado este se realizó para tres momentos críticos en el

vuelo, en los cuales se presentan las mayores fuerzas en la estructura, estas son:

aterrizaje, despegue y viraje.


45

3.1.1. DESPEGUE

En el caso del despegue se consideraron como fuerzas principales que actúan

sobre el fuselaje en el momento del despegue de la aeronave la fuerza de

levantamiento (L), la fuerza de arrastre (D), la fuerza debida al motor y a la fuerza

provocada por el peso de la aeronave.

Para calcular las cargas es necesario delimitar las condiciones en las cuales se

desempeñara el UAV, por lo que esta aeronave va hacer utilizada a nivel de mar y

llevara consigo una carga útil de 0.5 kg, sumando el peso del se tiene un peso de 3

kg, de esto se puede deducir que la carga en el interior por reglamento oficial de la

FAA, especificado en el anexo 1 se deberá tomar con un factor de seguridad de 1.5,

de modo que se tendría un masa aproximada de 4.5 kg dicho peso será aplicado en

el centro del fuselaje.

Por otro lado, la fuerza aplicada en la bancada, está dada por:

𝐹 =𝑃

𝑉

Donde F, es la fuerza; P, la potencia del motor y V la velocidad de la aeronave.

(Serway y Jewett, 2008)

Para la obtención de esta fuerza, se analizó el momento en que la aeronave

despeja, debido a que es donde se genera la mayor fuerza de sustentación y se

emplea toda la potencia del motor, por tanto la potencia es de 60 HP y al realizar

mediciones se previó que la velocidad máxima que alcanzaría la aeronave es de

22.22 m/s, por tanto la fuerza aplicada sobre la bancada es de 2013.41 N.

3.1.1.1. Cálculo del levantamiento (L) y resistencia al avance (D)

La fuerza de levantamiento se calculó con ayuda del paquete workbench (Scott et.

al., 2011), debido a los conocimientos que se tienen sobre el programa y su

implementación para obtener el coeficiente de levantamiento.

Para ello primeramente se creó la geometría del perfil NACA 23012 (Abbott, 1959),

con la medida real que se implementara para la construcción del ala, seguido a esto

se realizó una malla en forma de D invertida, la cual en su centro contenía al perfil,

con la especificación de que mientras más cerca este la malla del perfil está estará

más refinada para obtener mejores resultados. La geometría obtenida y el mallado

se muestran en la figura siguiente:


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Figura 7.- Resultado del mallado del perfil naca 23012 en ambiente workbench.

Una vez implementado el mallado se comenzaron a realizar las pruebas para

determinar los coeficientes del perfil para distintos ángulos de ataque (α), aplicando

las mismas condiciones en cada una de ellas, la velocidad empleada para el análisis

fue de 22.22 m/s velocidad máxima de vuelo de la aeronave. A continuación se

muestra el resultado de un análisis obtenido para 5 grados de ángulo de ataque.

Figura 8.- Gráfico de simulación del flujo laminar sobre el perfil NACA 23012 con α = 5 en ambiente

workbench.

Figura 9.- Gráfico de fuerzas de levantamiento y resistencia al avance, actuando sobre el perfil

NACA 23012 con α = 5 ambiente workbench.

Como ya se dijo este procedimiento se realizó para los diferentes ángulos de ataque

desde -10 grados hasta 18 grados, ángulos en los que el tipo de estudio es válido,

obteniendo los siguientes resultados, mostrados en la tabla 9.


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Una vez obtenidos estos coeficientes para el perfil, se emplearon las siguientes

fórmulas para obtener las relaciones del coeficiente de sustentación y arrastre del

avión (Raymer, 1989), dicha relaciones están expresadas por:

𝐶𝐿 = 𝑎(𝛼 − 𝛼𝑙=0) 𝐶𝐷 = 𝐶𝑑𝑜+ 𝑘(𝐶𝑙

2)

Empleando las expresiones descritas y realizando las operaciones pertinentes, los

resultados obtenidos son:

α Cl Cd CL CD

18 0.3659 0.3949 0.0303

17 0.3710 0.3745 0.0294

16 0.3648 0.0072 0.3540 0.0286

15 0.3625 0.0051 0.3335 0.0278

14 0.3605 0.0045 0.3130 0.0270

13 0.3509 0.0039 0.2925 0.0263

12 0.3353 0.0034 0.2720 0.0256

11 0.3160 0.0028 0.2516 0.0250

10 0.2947 0.0024 0.2310 0.0245

9 0.2718 0.0019 0.2106 0.0239

8 0.2477 0.0015 0.1901 0.0235

7 0.2226 0.0012 0.1696 0.0231

6 0.1972 0.0010 0.1491 0.0227

5 0.1711 0.0008 0.1286 0.0224

4 0.1443 0.0006 0.1081 0.0220

3 0.1170 0.0005 0.0876 0.0219

2 0.0896 0.0004 0.0671 0.0217

1 0.0619 0.0004 0.0466 0.0215

0 0.0348 0.0003 0.0262 0.0214

-1 0.0073 0.0004 0.0057 0.0214

-2 -0.0191 0.0004 -0.0148 0.0214

-3 -0.0453 0.0005 -0.0353 0.0215

-4 -0.0710 0.0007 -0.0558 0.0216

-5 -0.0955 0.0009 -0.0763 0.0217

-6 -0.1186 0.0012 -0.0968 0.0219

-7 -0.1402 0.0015 -0.1172 0.0222

-8 -0.1598 0.0019 -0.1377 0.0225

-9 -0.1747 0.0024 -0.1582 0.0228

-10 -0.1826 0.0030 -0.1787 0.0232

Tabla 9.- Resultado de Cl, Cd, CL y CD para el UAV Tonatiuh a diferentes α.


48

48

48

Las representaciones gráficas obtenidas a partir de los coeficientes descritos en la

tabla anterior son:

Figura 10.- Gráficas de Cl, CL, Cd y CD en Excel para diferentes α.

Una vez obtenidos los coeficientes se calcularon las fuerzas de levantamiento y

arrastre, dadas por las siguientes expresiones (Raymer, 1989):

𝐿 =1

2𝜌𝑉2𝑆𝐶𝐿 𝐷 =

1

2𝜌𝑉2𝐴𝐶𝐷

Los valores con los cuales se va a trabajar, tomando en cuenta que se va volar a

nivel de mar son:

𝜌 = 1.225𝑘𝑔

𝑚3⁄ 𝑉 = 80 𝑘𝑚ℎ⁄ 𝑆 = 0.42𝑚2

𝐶𝐿 = 0.395 𝐶𝐷 = 0.0303 𝐴 = 1.6367𝑚2

Donde rho es la densidad del aire a nivel del mar, V es la velocidad máxima de la

aeronave, S es la superficie alar, CL y CD los coeficientes de levantamiento y

arrastre respectivamente para 18° de alpha y A es la superficie húmeda de toda la

aeronave, tomando en consideración estos valores las fuerzas a ser aplicadas están

dadas por:

𝐿 =1

2(1.225

𝑘𝑔𝑚3⁄ ) (22.22 𝑚

𝑠⁄ )2(0.42𝑚2)(0.395) = 50.1696 𝑁

𝐷 =1

2(1.225

𝑘𝑔𝑚3⁄ ) (22.22 𝑚

𝑠⁄ )2(1.6367𝑚2)(0.0303) = 15 𝑁

Una vez obtenidas las cargas a ser aplicadas al modelo final de la estructura, se

integran y se especifica su lugar de aplicación, así como su dirección y fuerza, como

se observa en la figura siguiente:

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-20 0 20

Coefiente de levantamiento

Cl

CL

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 0.01 0.02 0.03 0.04

Coefiente de arrastre

Cd

CD


49

Figura 11.- Aplicación de cargas y soporte al ensamble del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh

para el momento del despegue.

Para este caso se propuso que el soporte a emplear sería fijo en la orilla de la base

de la aeronave, como se observa en la figura anterior. Ejecutando el análisis se

obtuvieron los siguientes resultados:

Figura 12.- Resultado obtenido en Solidworks del esfuerzo de tensión para el momento del

despegue.

Figura 13.- Resultado obtenido en Solidworks de las deformaciones unitarias para el momento del

despegue.


50

50

50

3.1.2. ATERRIZAJE

Para el caso del aterrizaje la mayor fuerza que se presenta es la fuerza cinética con

la que cuenta la aeronave al momento de tocar tierra, en ese momento la fuerza es

transferida del tren de aterrizaje a la estructura, por otro lado en este instante el

motor se encuentra apagado, por lo que no existe ninguna fuerza provocada por

este, de la misma forma tomando en cuenta que la velocidad de la aeronave es

relativamente baja, tampoco se consideran los efectos de la fuerza de levantamiento

y de arrastre debido a que son fuerzas relativamente bajas, es por ello que la única

fuerza considerada es la energía cinética.

Para ello partiremos de una ecuación fundamental.

𝐹 = 𝑚𝑎

Donde F es la fuerza, m es la masa del objeto y a es la aceleración, sin embargó la

aceleración provocada, será negativa debido a que la velocidad de descenso

vertical, pasara de cierto valor a cero. Tomando en cuenta que la velocidad vertical

de la aeronave al momento de aterrizar es de 3 m/s y considerando el caso en el

que se podría tener el mayor peso, es decir que la aeronave tenga que regresar a

tierra inmediatamente después de un despegue, se considerara la masa de la

aeronave como 4.5 kg, por tanto sustituyendo los valores tenemos:

𝐹 = (4.5 𝑘𝑔) (−3 𝑚𝑠2⁄ ) = −13.5 𝑁

Ahora aplicaremos la fuerza calculada sobre el soporte del tren de aterrizaje y el

soporte se colocara en los apoyos del ala, como se muestra a continuación:

Figura 14.- Aplicación de cargas y soporte al ensamble del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh

para el momento del aterrizaje


51

Ejecutando el análisis se obtienen los siguientes resultados:

Figura 15.- Resultado obtenido en Solidworks del esfuerzo de tensión para el momento del

aterrizaje.

Figura 16.- Resultado obtenido en Solidworks de las deformaciones unitarias para el momento del

aterrizaje.

3.1.3. VIRAJE

En el caso de viraje las fuerzas a considerar serán la fuerza de sustentación y la

fuerza centrífuga del peso de la aeronave, también podría considerarse la fuerza de

arrastre, sin embargo como se observó o mostro en el primer análisis esta no afecta

en gran manera a la estructura, por ello que no será considerada.

Se realizó la suposición de que el viraje se realizará a la máxima velocidad posible

y tomando un ángulo de giro (φ) de 80°, dado que se consideró esa velocidad, se


52

52

52

tomara en cuenta la fuerza obtenida para la fuerza de sustentación calculada para

el análisis del despegue, por tanto solo resta por calcular la fuerza centrífuga, la cual

está dada por:

𝐹𝑐 =𝑤

𝑔∗

𝑉𝑡2

𝑟

Donde Fc es la fuerza centrífuga, w el peso del objeto, g es la gravedad, Vt es la

velocidad tangencial y r es el radio del viraje (Serway y Jewett, 2008).

Calculando la velocidad tangencial, tenemos:

𝑉𝑡 =𝑉

√𝑐𝑜𝑠𝜑=

22.22 𝑚𝑠⁄

√𝑐𝑜𝑠(70)= 37.9942 𝑚

𝑠⁄

Para el caso del radio de viraje, tenemos:

𝑟 =𝑉𝑡

2

𝑔 (1

𝑐𝑜𝑠(𝜑)2)=

(37.9942 𝑚𝑠⁄ )

9.8 𝑚𝑠2⁄ (

1𝑐𝑜𝑠(70)2)

= 17.2311 𝑚

Por tanto la fuerza centrífuga está dada por:

𝐹𝑐 =4.5

𝑘𝑔𝑚𝑠2⁄

9.8 𝑚𝑠2⁄

∗(37.9942 𝑚

𝑠⁄ )2

17.2311 𝑚= 38.4688 𝑁

Aplicando las dos fuerzas, para este análisis y tomando como soporte el tapa fuego

del avión, las cargas aplicadas y el soporte quedan de la siguiente manera:

Figura 17.- Aplicación de cargas y soportes al ensamble del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh

para el momento del viraje


53

Ejecutando el análisis los resultados obtenidos son los siguientes:

Figura 18.- Resultados obtenido en Solidworks del esfuerzo de tensión para el momento del viraje.

Figura 17.- Resultados obtenido en Solidworks de las deformaciones unitarias para el momento del

viraje.


54

54

54


55

4

4.1. OPTIMIZACIÓN

En un ámbito general, optimización se refiere a la acción y efecto de optimizar (RAE,

2013), por tanto podemos definir que el objetivo principal de la optimización, es el

de mejorar el funcionamiento de algo. Por lo general este proceso o etapa se lleva

a cabo al término de un proyecto, de modo que el producto obtenido sea el final.

En el presente trabajo uno de los objetivos principales es el de optimizar la

estructura del fuselaje y bancada del “UAV Tonatiuh”, por lo que en nuestro caso

tomaremos el proceso de optimización como la reducción de peso de la estructura

sin comprometer la integridad de esta misma, con la intención de mejorar la

autonomía, por la razones que se explicaran más adelante, este método es

conocido como aligeramiento.

4.1.1. RANGO

El rango de un avión es simplemente la velocidad multiplicada por la cantidad de

tiempo que puede permanecer en el aire, esta cantidad se puede traducir en la

cantidad de combustible que el avión puede cargar dividida por la velocidad a la que

se quema el combustible.

Desafortunadamente la ecuación planteada en el párrafo anterior es complicada

considerando que el peso disminuye debido a que el combustible se consume con

forme pasa el tiempo, lo cual a su vez también influye en el arrastre producido por

el avión, por lo cual el avión tiene mayor alcance al disminuir la potencia requerida

por la disminución de peso. Este rango puede estar descrito por la siguiente

ecuación. (Raymer, 1989)

𝑑𝑅

𝑑𝑊=

𝑉

−𝐶𝑇=

𝑉(𝐿/𝐷)

−𝐶𝑊

Donde dR es el diferencial de la distancia recorrida, dW es el diferencial del peso,

V es la velocidad, C es el factor con el cual disminuye el peso y L/D es el

levantamiento y el arrastre respectivamente. Esta ecuación presentada

anteriormente asume que la velocidad, el consumo de combustible y L/D son

aproximadamente constantes.

Sin embargo, para el perfil de misión que se pretende desarrolle el UAV, el

conocimiento del rango no es muy importante, debido a que el avión estará

realizando tomas sobre una zona, por ello lo que realmente es de importancia en

CAPITULO 4. OPTIMIZACIÓN DEL FUSELAJE Y BANCADA DEL UAV TONATIUH

56

56

56

este caso es la autonomía del avión que es parecido en cierta forma al rango, sin

embargo este se basa en el tiempo en el que el avión puede permanecer en el aire.

Por lo expresado en la ecuación para obtener el rango y por la definición de está,

podemos denotar que a menor peso la autonomía incrementa, de tal forma que el

tiempo de vuelo o la autonomía aumentaría.

Como resultado de este aumento, se podría lograr un mayor tiempo para realizar

tomas en un mismo vuelo o sobrevolar alguna zona para obtener mayor detalle de

está, todo esto implicando un menor gasto económico, al realizar menores vuelos o

disminuir el consumo de combustible para realizar un estudio. De aquí la

importancia del proceso de optimización de las estructuras de la bancada y fuselaje

del UAV Tonatiuh.

4.2. ALIGERAMIENTO

Con el objetivo en mente la metodología a seguir, comienza en primer término con

el análisis de los estudios estáticos realizados a la estructura, presentados en el

capítulo 3 de este trabajo, para determinar los lugares en donde es posible sustraer

material sin afectar la integridad estructural de la aeronave. Una vez definidas las

zonas, se quitara material de estas partes y se volverá a realizar el análisis estático

con las mismas cargas sobre el nuevo modelo de la estructura.

Para realizar los nuevos análisis estáticos, se aprovechara la facilidad del programa

con el que se está trabajando, ya que la substracción del material se puede realizar

de una manera muy rápida y sencilla, así como también el análisis estático sobre la

nueva estructura.

4.2.1. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Retomando la propiedad del esfuerzo en el límite proporcional (ELP) de los

materiales expuestos en las tablas 7 y 8 del capítulo3, y comparando estos valores

con los obtenidos en el análisis estático podemos determinar las zonas en donde

se puede substraer material.

MATERIAL ELP (Pa)

Balsa 11836626.55

Pino 544269907.5

Triplay 1/8 22982864.94

Tabla 10. ELP de la madera balsa, pino y triplay de 1/8

Una forma de reconocer estas zonas es debido a que estarán en marcadas en un

color azul rey, debido a que en estos lugares el esfuerzo realizado es mínimo o no


57

existe alguno, sin embargo a la par de revisar visualmente estos lugares, es

necesario tomar en cuenta la escala de colores marcada del lado derecho de la

estructura, ya que es está donde se indica la magnitud del esfuerzo.

4.2.1.1. Despegue

Comenzaremos con al análisis en el momento del despegue, ayudándonos de la

imagen de esfuerzo de tensiones que se muestra a continuación, obtenida después

de realizar el análisis estático.

Figura 20. Vista isométrica de las tensiones desarrolladas en el momento del despegue

Como podemos apreciar las mayores fuerzas se desarrollan en la bancada y en la

parte frontal del fuselaje, dentro de esta zona la mayor fuerza está localizada en la

parte del tapa fuego la cual es de aproximadamente de 51,5 MPa, valor obtenido

comparando el color mostrado y la escala a la derecha de la estructura, sin embargo

este valor es muy pequeño comparado con el valor de ELP para el pino, que es el

tipo de material que está presente en el lugar donde se está desarrollando el

esfuerzo.

Por otro lado en la bancada del UAV, se presenta un valor máximo de 30 MPa, el

cual es un esfuerzo mayor al permisible en este parte, debido a que la bancada está

construida de triplay de 1/8, de modo que es necesario reforzar la estructura en esta

parte, para reducir la magnitud del esfuerzo presente en esta zona.

Figura 21. Acercamiento a la bancada del UAV Tonatiuh en el momento del despegue


58

58

58

En la parte frontal del fuselaje mostrada en la figura 20, se puede denotar que los

esfuerzos máximos, presentes son menores a los 11 MPa, lo cual aún es un

esfuerzo permisible para esta zona, ya que esta parte del fuselaje está hecha de

madera balsa, la cual es la madera que posee el menor valor de ELP de las tres

maderas usadas en el fuselaje. Con esto en mente, es en este lugar donde se podría

aligerar el fuselaje, sin embargo antes de tomar una decisión final es necesario

analizar los otros dos análisis realizados, para comprobar si es posible la

sustracción de material de esta zona.

Cabe señalar que no se están aplicando las fuerzas generadas por el estabilizador

horizontal y vertical, así como por el elevador y el timón, es por esto que en la parte

trasera del fuselaje las tensiones implicadas son casi nulas. Por lo que está parte

no se aligerara, sin embargó cabe señalar que este estudio será realizado en otro

trabajo, para complementar el proceso de optimización.

4.2.1.2. Viraje

Para el caso del viraje las fuerzas existentes se denotan en la figura siguiente, es

importante denotar que para este caso la escala de fuerzas existente ha cambiado,

a un valor inferior como valor máximo, comparado con el análisis anterior.

Figura 22. Vista isométrica de las tensiones desarrolladas en el momento del viraje.

Como se puede apreciar en la imagen la escala mostrada no supera los 2 MPa, por

lo que este momento de vuelo no represente peligro alguno de fractura en la

estructura, ya que la madera balsa cuenta con un ELP es de 11,8 MPa. Es de notar

que la mayor fuerza se presenta cerca de las uniones de la parte trasera y central

del fuselaje, sin embargo como ya se denoto el esfuerzo implicado sigue siendo

mínimo.

Realizadas estas observaciones, la posibilidad latente de aligerar la estructura en

esta zona sigue presente. Se podría pensar que este análisis no fue de gran utilidad

para la decisión de los lugares a aligerar, sin embargo, es lo contrario, puesto que


59

como se puede apreciar en la figura 22, se ven enmarcadas de color verde las zonas

donde es posible aligerar el fuselaje, ya que aunque son esfuerzos pequeños, es

necesario considerarlos.

4.2.1.3. Aterrizaje

Por último en el momento del aterrizaje las fuerzas representadas se describen en

la siguiente figura. Las cuales son aún menores a las presentes en el viraje, esto es

debido a que los aterrizajes realizados, en estas aeronaves son en una etapa de

planeo, implicando esto que el motor se encuentra apagado y la velocidad del UAV

es mínima, traduciéndose esto en muy poca sustentación y una velocidad vertical

de descenso mínima.

Figura 23. Vista isométrica de las tensiones desarrolladas en el momento del aterrizaje.

En este caso las fuerzas presentes no superan los 0,13 MPa, por lo que las fuerzas

en esté análisis no superan el esfuerzo permisible en la estructura para esta zona,

sin embargo como se comentó en el análisis anterior es importante notar donde se

presentan las fuerza, para tomar en cuenta dichos lugares en el momento de realizar

el aligeramiento de la estructura.

El mayor esfuerzo, para este análisis se presenta en los soportes delanteros del ala

cerca de la unión con el fuselaje, sin embargo estos están fabricados de madera de

pino, por lo que el esfuerzo presente es mínimo para este material.

3.2.2. PLANTEAMIENTO DE NUEVOS MODELOS

Considerando los tres estudios realizados, los lugares propicios para el

aligeramiento, se encuentran en los costados del fuselaje en la parte central y

delantera de esté. La parte trasera estará exenta de aligeramientos, ya que no se

están considerando las cargas causadas por los estabilizadores, el timón y el

elevador, como ya se mencionó.


60

60

60

Así como también no se quitara material en la parte baja de esté, ya que es sobre

está parte donde estará apoyado el tanque de combustible, la cámara y los circuitos

que servirán para la realización de vuelos autónomos.

En la parte del tapa fuego se podría realizar algún tipo de aligeramiento, sin

embargo está zona no sufrirá cambios, ya que está parte sirve para la separación

del tanque de combustible con el motor.

Por lo tanto, tomando estas consideraciones se propusieron dos diferentes tipos de

aligeramientos, realizados en las mismas zonas pero de diferentes formas

geométricas, para comprobar cuál es la mejor forma para realizar los aligeramientos

en la estructura. De modo que las estructuras aligeradas obtenidas se muestran en

las figuras 24 y 25.

Cabe señalar que se removió la parte baja de fuselaje para tener una mejor

apreciación de las reacciones en los análisis en el momento del despegue y

aterrizaje, pero en el caso del viraje este se encuentra presente, debido a que en

este análisis si existen fuerzas considerables presentes en esta parte del fuselaje

observadas en los análisis previos.

3.2.2.1. Propuestas de aligeramiento

La primera propuesta es con aligeramientos en forma de círculos, dejando una

mayor cantidad de material cerca de los lugares donde se presentó un mayor

esfuerzo en los análisis de viraje y aterrizaje, es decir en la unión de la parte trasera

del fuselaje con la central y en los soportes del ala, como se muestra a continuación.

Figura 24. Primera propuesta de aligeramiento.

La segunda propuesta se realizó con aligeramientos en forma de rectángulo con los

vértices redondeados, tratando en esta nueva forma geométrica de remover una

mayor cantidad de material, lo cual resultara en una mayor reducción de peso que

en el caso anterior, pero dejando el material considerado como necesario para

soportar los esfuerzos presentes, que aunque son considerados como mínimos se


61

encuentran presentes en estas zonas, en los casos de viraje y aterrizaje. El

resultado se muestra a continuación.

Figura 25. Segunda propuesta de aligeramiento.

Cabe señalar que en las dos propuestas se integró un refuerzo en la bancada, para

reducir el esfuerzo que se estaba presentado en esta parte, de modo que la fuerza

presente en esta zona esté cerca del límite permisible, es decir el ELP para la

madera de triplay de 1/8. Los refuerzos se colocaron como se muestra a

continuación.

Figura 26. Refuerzo introducido en la bancada

4.2.3. ANALISIS ESTÁTICO PARA LAS ESTRUCTURAS ALIGERADAS

Una vez realizadas las propuestas de modificación para optimizar la estructura, es

decir los aligeramientos y los refuerzos sobre la estructura, se procedió a realizar

los análisis estáticos a estos nuevos modelos, empleando las mismas cargas

utilizadas que en la estructura sin modificaciones.


62

62

62

Para comprobar mediante estos estudios cuál de las dos propuestas es la mejor, se

consideró que estructura presentaba los menores esfuerzos dadas las condiciones

de cargas presentes, para los diferentes momentos del vuelo del UAV analizados

en este trabajo, de la misma manera se tuvo cuidado de que el esfuerzo no superara

el ELP del material.

4.2.3.1. Primera propuesta de aligeramiento

Una vez realizado el análisis para el despegue, se observó que mediante los

refuerzos integrados a la bancada del fuselaje, se logró reducir los esfuerzos

presentes en esta zona, de la misma manera comparando este resultado con el

pasado se puede notar que las fuerzas presentes en este caso, se encuentran

repartidos a lo largo de toda la estructura de la bancada y no se encuentran

concentradas en una zona.

Por otro lado en las secciones donde se realizó la extracción de material,

específicamente en la parte central del fuselaje no existió algún cambio considerable

en las fuerzas generadas, mientras que en la parte delantera, debido a la existencia

de un esfuerzo pequeño demostrado en el primer análisis, este aumento un poco y

se concentró en una zona del aligeramiento, como se puede apreciar en la siguiente

imagen.

Figura 27. Vista isométrica de las tensiones desarrolladas para la primera propuesta de

aligeramiento en el momento del despegue

El esfuerzo presente en el lugar de extracción del material en la parte delantera del

fuselaje es de aproximadamente 14 MPa, lo cual supera el ELP de la madera balsa,

debido a esto el aligeramiento hecho en esta zona no posible de llevarse a cabo o

es necesario reducir el radio del círculo. Por otro lado en el área del tapa fuego se

encuentra un esfuerzo máximo de 51 MPa, el cual aún es un esfuerzo permisible en

esta área del fuselaje.


63

Figura 28. Acercamiento a la bancada del UAV Tonatiuh para la primera propuesta de

aligeramiento en el momento del despegue.

Realizando un acercamiento al área de la bancada para comprobar los resultados

del refuerzo en esta zona como se mostró en la imagen 26, se puede observar que

se redujo la magnitud de la fuerza en esta zona, ya que con la ayuda de la escala

que se encuentra a la derecha, el esfuerzo máximo presente en esta zona es de 23

MPa, el cual aún es un esfuerzo permisible para la bancada.

De modo que el refuerzo introducido modifico y ayudo para la reducción de los

esfuerzos presentes en esta parte del UAV.

Para el caso del aterrizaje, como se había mencionado el esfuerzo presente en la

aeronave es mínimo comparado con el ELP de la madera balsa, por lo cual no

representa un riesgo de fractura del material.

Sin embargo como se puede apreciar en la figura 29, con la ayuda de la escala de

colores que se muestra a la derecha de la imagen, se puede considerar que la fuerza

que se genera en el aterrizaje, se duplico tras la reducción de material, pero este

esfuerzo sigue siendo mínimo comparado con el ELP, por lo que hasta esta parte el

aligeramiento está cumpliendo con las condiciones para su uso a excepción de la

parte frontal del fuselaje.


aligeramiento en el momento del aterrizaje


64

64

64

Por último revisando el resultado obtenido para el viraje, podemos observar tras

revisar la escala a la derecha de imagen, que el esfuerzo máximo que se encuentra

en este análisis no supera los 2 MPa, por lo que la integridad de la estructura se

conserva, ya que la fuerza no supera la permisible para esta zona.

Cabe señalar que se removió la parte de la bancada para una mejor apreciación de

los esfuerzos generados en la estructura, ya que por el modo en que está colocado

el soporte, la parte de la bancada y el tapa fuego no sufre modificaciones

significativas como se demostró en el análisis para la estructura sin aligeramientos.


aligeramiento en el momento del viraje.

4.2.3.2. Segunda propuesta de aligeramiento

Realizando el análisis para el segundo caso en el momento del despegue con las

modificaciones en forma de rectángulo, podemos observar en un primer término que

al igual que para el otro aligeramiento, los esfuerzos cerca de la bancada de

aeronave se han distribuido a lo largo de toda la estructura de la bancada.

Por otro lado como se puede apreciar en la figura 31, existe un incremento de

esfuerzo en el área cercana al lugar de extracción del material en la parte delantera

del fuselaje, incremento que también se vio presente en el análisis para la primera

propuesta de aligeramiento.

Cabe mencionar que al introducir geometrías como los rectángulos, es necesario

que los vértices no sean puntiagudos, ya que esto podría provocar que existiera una

fractura en esta zona, debido a su forma afinada, lo que permite que se concentren

esfuerzos el cual podría exceder el ELP del material, resultando en una fractura.


65

Este hecho fue comprobado por Inglis, mediante el análisis que tenía de un hoyo

elíptico que se encontraba en una placa, mostrando que el esfuerzo en esta zona

se incrementaba al final de los ejes mayores de la elipse. Muchos libros y textos

describen la concentración de esfuerzos en componentes con un amplio rango de

configuraciones de fractura, sin embargo todos estipulan que el esfuerzo aumenta

debido al aumento en la fractura y el decremento del radio de la punta de la fractura.

(Hertzberg, 1996)

Figura 31. Vista isométrica de las tensiones desarrolladas para la segunda propuesta de

aligeramiento en el momento del despeje

Como se puede visualizar en la figura 31 el esfuerzo máximo en la zona donde se

extrajo el material es aproximadamente de 15 MPa, sin embargo este valor excede

al límite permitido en esta zona del fuselaje.

Por otro lado en la zona del tapa fuego y la bancada, los esfuerzo registrados son

los mismos que para el análisis anterior con la otra modificación, es decir todos se

encuentran dentro del límite permitido para estas piezas.

En tanto que para las condiciones de aterrizaje el esfuerzo se duplicó, al igual que

en el análisis para la otra propuesta de aligeramiento, sin embragó como se ya

mencionó, el esfuerzo en esta zona aún sigue siendo muy bajo en relación al

permitido por el material, por lo que tras la remoción del material la estructura aún

sigue siendo funcional.

Es importante notar que aunque se obtuvieron resultados similares que para la

modificación anterior, en esta propuesta se está removiendo una mayor cantidad de

material.


66

66

66


aligeramiento en el momento del aterrizaje

Para el último estudio es decir el viraje en la segunda modificación, en primer

término podemos apreciar que el esfuerzo sufrió un incremento de poco más tres

veces el registrado en el estudio sin aligeramiento y este es diferente al obtenido

para la otra modificación, lo cual en un primer término podría preocuparnos, sin

embargó este incremento en el esfuerzo era de esperarse, ya que fue en esta parte

donde se quitó la mayor parte del material durante el aligeramiento y comparado

con el otro modelo de aligeramiento este presenta una menor cantidad de material.


aligeramiento en el momento del viraje

Por lo que el esfuerzo registrado como máximo según la escala a la derecha es de

9 MPa, sin embargo este esfuerzo se encuentra dentro del límite permisible de 12

MPa para la madera balsa, por lo que esta propuesta de aligeramiento aún sigue

siendo funcional.


67

Dado los resultados de las propuestas de aligeramiento la estructura final se

muestra a continuación.

Figura 34. Vista isométrica del modelo final del fuselaje y bancada del UAV Tonatiuh

Para el modelo final de la estructura se combinaron las dos diferentes propuestas

de aligeramiento, tomando de la primera la parte delantera del aligeramiento en el

fuselaje, con una reducción en el diámetro del círculo, mientras que de la segunda

propuesta se tomó los aligeramientos realizados en la parte media del fuselaje,

como se puede apreciar en la figura 34. Una vez definida la estructura se comenzó

a realizar la construcción de las piezas.


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68

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69

5

5.1. AEROMODELISMO

La construcción de este tipo de modales se conoce como aeromodelismo, que es el

deporte que consiste en la construcción y prueba de pequeños modelos de aviónes

(RAE, 2013), dicho de otra forma el aeromodelismo consiste en el vuelo de

pequeños modelos de avión, imitando el vuelo de los aviones reales, sin embargo

esta definición se ha quedado fuera de lugar en estos tiempos, ya que el

aeromodelismo actualmente se está empleando con fines bélicos, de fotografía,

científicos, etc.

Es importante mencionar que aunque estos modelos sean inferior en tamaño a los

reales, sobre de estos se siguen aplicando las mismas leyes de la aerodinámica. Es

por ello que la práctica del aeromodelismo requiere conocer y llevar a la práctica un

conjunto de cualidades y habilidades, tales como:

Habilidades.- Trabajo en madera, plásticos y metales, paciencia.

Conocimientos.- En áreas de aeronáutica, aerodinámica y motores y en menor

medida en electrónica.

5.1.1. CLASIFICACIÓN

Aunque por definición se sabe que el aeromodelismo es la construcción y vuelo de

modelos de avión, esta práctica se puede clasificar en dos grandes vertientes,

resaltando que la primera de ellas, solo implica la primera condición resaltada del

aeromodelismo.

5.1.1.1 Aeromodelismo estático

El modelismo estático es un pasatiempo que consiste en construir modelos a escala

con gran detalle, mismos modelos que en algunos casos participan en

competencias y exposiciones.

Para realizar estos modelos, solo es necesario tener las habilidades antes

mencionadas y no es necesario poseer los conocimientos antes expuesto, ya que

estos aviones únicamente se apreciarán sin movimiento, es decir no son fabricados

para volar.

No se abundará mucho en este tema, ya que el objetivo que persigue el UAV

Tonatiuh no entra dentro de esta categoría del aeromodelismo.

CAPITULO 5. CONSTRUCCIÓN DEL FUSELAJE Y BANCADA DEL UAV TONATIUH

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5.1.1.2. Aeromodelismo dinámico

De forma contraria al aeromodelismo estático, esta segunda clasificación busca que

el modelo recreado tenga movimiento y pueda volar y en determinado caso tener

control del vuelo, consiguiendo el máximo control posible de la aeronave.

Dentro de este tipo de aeromodelismo se pueden distinguir tres grandes categorías

(fada, 2012), en las que se dividen los diferentes tipos de modelos que se

construyen en la actualidad:

5.1.1.2.1 Vuelo Libre

Por lógica se clasifica en esta categoría a todo aquel avión que vuela por sí solo, es

decir, el aeromodelista o piloto no tiene ningún control sobre la trayectoria y tiempo

de vuelo. Simplemente se lanza el avión y este vuela por sí mismo, en mayor o

menor tiempo dependiendo de la configuración y características del propio avión o

de las condiciones en las que se vuela.

Lo importante a considerar en este tipo de aviones son los ajustes en la geometría

del avión, ya que de carecer de esta, el avión tendrá tendencias azarosas al volar.

De la mano con esta consideración se encuentra el peso de la aeronave, implicando

esto que el centro de gravedad quede en el lugar correcto, es decir a un cuarto o un

tercio de la longitud del perfil medido desde el borde de ataque. Esta última

consideración es aplicable a todos los modelos.

Dentro de esta categoría, existen tres subdivisiones:

Planeadores

Modelos con motor de goma o de liga

Modelos con motor de combustión interna

5.1.1.2.2. Vuelo circular

Se denomina así a esta categoría por que el avión da vueltas formando un círculo

permanentemente alrededor del piloto, el cual lo controla mediante dos cables que

le proporcionan un movimiento ascendente o descendente al avión, a este tipo de

aviones se le denomina avión de líneas, este es impulsado por un motor de

combustión interna. Existen varias modalidades dentro del vuelo circular como es el

de acrobacia o combate, pero siempre con la característica particular de que estos

son controlados por los cables que lo unen al piloto.

Es importante mencionar que mientras se tenga combustible en el tanque del avión

o el avión no se estrelle, el piloto no puede dejar de dar vueltas.


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5.1.1.2.3. Radio control

La principal característica de esta modalidad, es que el avión es controlado por

señales de radio emitidas por un transmisor controlado por el piloto, dichas señales

llevan las órdenes de mando al receptor que se encuentra dentro del modelo y éste

a su vez transmite la señal hacia los servomecanismo, los cuales controlan los

movimientos de las superficies de control del avión. En esta categoría se tiene una

gran variedad de aviones y helicópteros, dentro de los que se encuentran:

Planeadores (RC)

Entrenadores

Acrobáticos

Réplicas

Es en la última categoría donde entra el UAV Tonatiuh, por lo cual se profundizara

en ella. Dentro de esta se encuentran los modelos a escala de aviones reales, es

decir simplemente sus dimensiones son a una escala diferente, estos pueden ser

bastante más pesados, en el caso de conservar todos los detalles del avión original.

En este tipo de modelos la variedad de materiales no tiene límites.

Figura 35. UAV Tonatiuh a la derecha y avión Tonatiuh a la izquierda

Es en esta categoría en donde entra el UAV Tonatiuh, ya que es una réplica a escala

de la aeronave Tonatiuh, construida mediante un convenio de colaboración entre

la SEMAR y el IPN, como ya se mencionó.

5.2. PARTES PRINCIPALES DE UN AVIÓN

El avión se puede dividir en cuatro partes principales: ala, fuselaje, estabilizador

vertical y estabilizador horizontal, dentro de este trabajo solo se profundizará dentro

de la parte del fuselaje y se enunciaran los diferentes tipos que existen.


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5.2.1. FUSELAJE

El fuselaje es la estructura principal del avión, junto con el ala, su principal función

es la de llevar en su interior la carga de paga, los servos, el receptor, el motor, etc.

De la misma forma esta parte estructural es la encargada de transferir las cargas

desde y para las alas, el estabilizador vertical y horizontal, el tren de aterrizaje y los

motores.

Dentro del aeromodelismo existen diferentes tipos de fuselajes y cada uno de ellos

tiene características mecánicas diferentes entre sí, de dureza y resistencia, y para

el caso de aquellos modelos de avión que llevan un motor de gran potencia se

agrega la fuerza contra la torsión, en mayor medida que los otros modelos.

(e-aeromodelismo, 2012)

5.2.1.1. Fuselaje de varilla o “palito”

Este tipo de fuselaje se denomina de esta manera debido a que consta únicamente

de una varilla, por ende este tipo de fuselaje no tiene mucha complicación al

construirlo, ya que únicamente se tiene que dar la forma deseada a la varilla. Estos

fuselajes son los adecuados para quien comienza a adentrarse en el mundo del

aeromodelismo y nunca ha construido ningún modelo anteriormente.

5.2.1.2. Fuselaje de plancha

Este fuselaje tampoco es complicado pero se debe de tener mucha prolijidad en su

corte y debe estar bien lijado para reducir al mínimo su resistencia al avance. La

diferencia con el fuselaje anterior radica en que éste es un más ancho que el

anterior. Este tipo de fuselajes son mayormente utilizados en los modelos fabricados

para vuelo circular.

Figura 36. Modelo de vuelo circular con fuselaje de plancha.


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5.2.1.3. Fuselaje de varillas

Este tipo de fuselaje, está conformado por cuatro varillas largas y por varillas cortas

que unen a las primeras, a lo largo de todas las varillas largas con una separación

que depende de la estructura que se esté fabricando, este tipo de fuselaje, comienza

a tener un cierto grado de complicación en su construcción, tomando en cuenta los

casos anteriores, sin embargo, es el más fácil dentro de los de su clase.

Figura 37. Fuselaje de varillas.

5.2.1.4. Fuselaje de cajón o monocasco

A diferencia de los anteriores fuselajes esté está compuesto de cuatro planchas de

madera balsa, que se unen entre sí por los bordes y en su interior, llevan cuadernas

como refuerzo hechas de varillas o bien de madera balsa más gruesa o madera de

triplay.

Figura 38. Fuselaje de cajón.

5.2.1.5. Fuselajes variados

Existen otros tipos de fuselajes como por ejemplo de forma triangular, con varillas o

planchas de balsa, redondos con cuadernas de plancha y varillas, entre otras

variantes de formas y tipos que van acorde a cada modelo, a manera de que el

fuselaje pueda soportar las cargas a las que será sometido el modelo o en su

defecto que simulé el fuselaje de un aeronave del mundo real.


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5.3. MATERIAL

Existen diferentes tipos de materiales con los que se puede construir un modelo,

por lo que es de vital importancia tomar en cuenta, la resistencia y el peso del

material. Para este caso el material seleccionado es la madera, por lo cual se

abundara más en esta y se describirán otros materiales utilizados para la

construcción de prototipos de manera superficial.

5.3.1. MADERA

De todos los materiales usados por el ser humano, la madera fue el primero de ellos,

gracias a una serie de propiedades como la facilidad de conformado, bajo peso

específico, agradable apariencia exterior, propiedades térmicas y mecánicas.

La madera se puede clasificar de diversas formas, según el criterio que se utilice,

de esta manera se pude clasificar en:

Dureza

o Maderas blandas

o Maderas duras

Humedad

o Maderas verdes

o Maderas desecadas

o Maderas secas

Para la obtención de la madera este se compone de un proceso, que consta de las

siguientes etapas:

1) Tala

2) Transporte

3) Descortezado

4) Tronzado

5) Aserrado

6) Secado

7) Cepillado

Centrándonos en el penúltimo paso, este es de vital importancia, ya que en este se

reduce el grado de humedad de la madera hasta un valor inferior al 15% y con esto

se consigue evitar deformaciones posteriores, reducir el peso, incrementar la

resistencia a distintos tipos de esfuerzos, reducir la posibilidad de ser atacada por

hongos e insectos y obtener las condiciones adecuadas para ser mecanizada.

Es muy importante tener en cuenta la dirección de la "veta" o vena de la madera, ya

que debido a esto presenta una mayor resistencia en una dirección que en otra.


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Principalmente existen cuatro diferentes tipos de maderas que se utilizan en

aeromodelismo para la construcción de los modelos, de las cuales se desarrollan a

continuación.

5.3.1.1. Madera balsa

La madera balsa es obtenida del árbol de balso o árbol de topa como se le conoce

en Perú, el nombre científico de esta especie es Ochroma pyramidale.

Presenta el pesó más liviano entre todas las maderas tropicales y del mundo, entre

100 a 200 kg/m3, es por esto que es cotizada mundialmente ya que posee una

resistencia mecánica relativamente elevada en relación a su peso.

Este tipo de madera es muy fácil de trabajar con herramientas comunes y en las

operaciones de maquinado. Se puede en colar con facilidad y es químicamente

compatible con resinas.

5.3.1.2. Madera de pino

Este tipo de árboles alcanza una altura de hasta 60 m y más de un metro de

diámetro. La corteza externa es de color café y apariencia agrietada, en cambio que

la corteza interna es de color crema rosácea.

Este árbol posee una textura fina y un grano recto. Su veteado es suave con líneas

longitudinales oscuras.

Este tipo de madera es fácil de trabajar con herramientas manuales y en las

diferentes operaciones de maquinado. Su uso es principalmente la fabricación de

muebles, aunque también se utiliza para pulpa y papel, envases, tableros

aglomerados, tableros contrachapados y de fibras, ebanistería, entarimados y

construcción de puentes. (Rodríguez y Vergara, 2008)

5.3.1.3. Madera de triplay

La madera de triplay es un tablero de gran estabilidad, resistencia mecánica,

excelente apariencia y pulido, fabricado con un número determinado de capas, cada

una de ellas consistente en una serie de hojas finas de chapa de madera, unidas

entre sí mediante resinas fenólicas libres de formaldehído.

Es importante considerar la velocidad de avance adecuada para realizar el corte del

tablero mediante una sierra eléctrica, para evitar quemar el tablero, lo cual ocurre

generalmente por utilizar velocidades de avance bajas, lo que provoca

oscurecimiento de la superficie cortada.


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Como medida de precaución se recomienda utilizar una mascarilla ya que la emisión

de partículas es nociva para la salud. (López Sanchez, 2000)

5.3.1.4. Madera de abeto (rojo)

El abeto rojo es un árbol de gran talla, llegando habitualmente a 40 m, pudiendo

alcanzar los 50 m. La madera que se extrae de este árbol es compacta, resinosa y

de color rojo.

Esta madera es ligeramente más oscura que la madera de abeto blanco al ser más

resinosa y con las vetas más regulares y visibles, aunque sus anillos están menos

marcados que en el pino.

Esta madera se emplea como madera de construcción, en carpintería, ebanistería

y fabricación de objetos pequeños7.

5.3.2 METALES

Los metales utilizados se pueden agrupar en dos grandes grupos, como metales

puros y aleaciones, las propiedades de los primeros son constantes, sin embargo

las aleaciones se ven afectadas por las proporciones relativas de sus

componentes8.

Este tipo de material es muy utilizado para realizar contrapesos, conexiones

electrónicas, entre otros usos que se le dan. Dentro de los metales que se pueden

utilizar en aeromodelismo podemos encontrar:

Cobre.- El cobre está clasificado dentro del grupo de los métales de transición, por

lo que algunas de las propiedades que tienen este grupo de metales es su elevada

dureza, tener puntos de ebullición y fusión elevados y ser buenos conductores de la

electricidad y el calor.

Plomo.- Este tipo de metal es muy blando y presenta un punto de fusión bajo.

Debido a la gran densidad que posee el plomo este se utiliza como contrapeso, ya

que además de ser muy tenso tiene como otra característica ser muy maleable.

Aluminio.- Por lo general este metal se utiliza para realizar las aleaciones, con el

fin de obtener mejores propiedades mecánicas. Estas varían dependiendo del tipo

de aleación.


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5.3.3. MATERIALES COMPUESTOS

Se define como material compuesto a todo material combinado a partir de una unión

(no química) de dos o más componentes, que da lugar a propiedades y

características específicas, no siendo propias de ninguno de los materiales usados.

Los componentes de un material compuesto no deben disolverse ni fusionarse

completamente unos con otros. Su caracterización, y la de su interface, debe ser

posible identificar por medios físicos.

Este tipo de materiales se desarrollan básicamente adicionando fibras o partículas

a una matriz definida, que puede ser metálica, polimérica o cerámica.

Los materiales compuestos se utilizan en aeromodelismo, para fabricación de

estructura, como el fuselaje o como refuerzo de las mismas, en caso de que estén

construidas como por ejemplo de madera balsa.

Dentro de los materiales compuestos más usados en aeromodelismo se encuentran

los reforzados con fibras, de vidrio, carbono y kevlar.

5.4. HERRAMIENTA Y MAQUINARIA

Es importante contar con las herramientas adecuadas para facilitar el proceso de

construcción y obtener una precisión al momento de manufacturar, de modo que

como resultado obtengamos un modelo de avión congruente a las especificaciones

establecidas, podemos dividir las herramientas en seis grandes grupos. (Jackson y

Day, 1999)

5.4.1. MARCADORES

Estas herramientas son útiles para marcar la línea de corte o delimitar alguna figura

que se quiera cortar o ligar para obtener dicha pieza, dentro de estas se encuentran

los lápices y los marcadores.

5.4.2. HERRAMIENTA Y MAQUINARIA DE CORTE

Son muy importantes para la realización de los modelos, ya que estas dan un primer

paso a la construcción, obteniendo una primera forma de la madera, cabe señalar

que es importante utilizar la herramienta o maquinaria adecuada para realizar los

diferentes cortes que se pueden realizar a la madera.


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Es importante tener en cuenta que estas necesitan estar bien afiladas de modo que

se realice un corte limpio. Las herramientas o maquinaria que se utilizan

principalmente en aeromodelismo son:

Cuchillas de modelismo.- Este tipo de cuchillas tienen una infinidad de utilidades

en el modelismo, dentro de las que se encuentran, separar piezas de un conjunto,

eliminar rebabas e imperfecciones, cortar el material que este marcado con una

figura, cortar calcas con precisión, por mencionar algunos usos.

Tijeras.- Herramienta indispensable, que al igual que las cuchillas estas deben de

estar bien afiladas y ser lo suficientemente fuertes para cortar papel, cartón y

plástico delgado, de modo que al momento de cortar no realice alguna deformación

en el borde.

Separador de balsa o tiralíneas (Master airscrew).- Esta herramienta está

diseñada para cortar con precisión las hojas de madera balsa de hasta un cuarto de

pulgada en tiras de media pulgada de ancho como máximo.

Serrucho.- Un serrucho es una herramienta utilizada para practicar cortes, sobre

todo en madera, cuenta con una hoja dentada y trapezoidal que por el extremo

ancho cuenta con un mango. Desde el mango la hoja se vuelve más estrecha hacia

el final de la herramienta. Existen distintos tipos de tamaños y pueden utilizarse

según el tipo de trabajo a desarrollar, dentro de los cuales se encuentra:

Sierra de calar.- Es una sierra de vaivén, es decir que se mueve de arriba abajo

con una hoja recta, esta herramienta se emplea para realizar cortes rectos y curvos

con gran rapidez y precisión, siendo el último corte para el que está diseñada

principalmente. Los diferentes tipos de sierras de calar, que existen son: manual,

eléctricas y electrónicas

Taladros eléctricos.- El taladro es una herramienta muy empleada para realizar

orificios de diversos tamaños y sobre distintos materiales. Esta herramienta hoy en

día se ha vuelto multifuncional, ya que además de la acción de perforar, puede dar

terminación a barrenos o agujeros, lijar superficies, fresar, atornillar, entre otras,

todo esto se puede realizar mediante el acople de diferentes tipo de accesorios.

5.4.3. HERRAMIENTAS DE SUJECIÓN

Existen diferentes tipos de sujeción, todos útiles para diferentes motivos. Los

principales utilizados en el modelismo son:


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Sargento.- Un sargento, gato o tornillo de apriete es una herramienta manual que

sirve para sujetar firmemente dos o más piezas que van hacer mecanizadas o

pegadas entre sí.

Tornillos de banco.- Un tornillo o torno de banco, es un conjunto muy sólido y

resistente que se fija a un banco de trabajo, cuenta con dos mordazas, de las cuales

una de ellas es fija y la otra móvil, está última se mueve mediante una palanca, que

mueve un tornillo sin fin.

5.4.4. ABRASIVOS

Se utilizan para conformar y acabar superficies. Dentro de esta clasificación se

emplean dos principales herramientas en aeromodelismo que entran dentro de esta

categoría, las hojas de lija y las limas

Hojas de lija.- Las hojas de lija, son generalmente de papel y en algunos de los

casos de tela, siendo mejores estás últimas en aplicaciones donde necesitamos

mayor flexibilidad.

Limas.- La lima es una herramienta empleada para afinar o pulir piezas de

diferentes materiales, como metales, plástico o madera. En general existe una

característica principal que las distingue en dos grupos las eléctricas y las manuales.

5.4.5. ADHESIVOS

Los adhesivos o pegamentos son sustancias en estado líquido o semilíquido que

tienen la capacidad de unir dos materiales por contacto superficial, estos pueden

provenir de una fuente natural o sintética. Los pegamentos se pueden emplear para

unir piezas, rellenar huecos y fisuras diminutas, que existen normalmente en

cualquier superficie, aunque sea muy lisa. (Jackson y Day, 1999)

Los adhesivos pueden curar (endurecer), por evaporación de un disolvente o por un

acelerador (reacciones químicas que ocurren entre dos o más componentes). Su

eficacia depende de varios factores, como la afinidad del adhesivo por el material a

unir, resistencia al encogimiento y desprendimiento, la maleabilidad, la fuerza

adhesiva y la tensión superficial, que determina el grado de penetración del

pegamento en las minúsculas depresiones de las superficies a unir.

A continuación se muestra una figura en donde se presenta qué tipo de adhesivo

es el más conveniente para unir diferentes materiales.


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En donde:

A Pegamento de poliestireno

B Pegamento ABS

C Pegamento metacrilico

D Pegamento para balsa

E Cola blanca

F Pasta para papel de seda

G Pegamento para papel de seda

H Resina sintética (pegamento UF)

I Pegamento de cianocrilato

J Cola de contacto de caucho

K Pegamento de latex

L Pegamento epoxi

M Barniz transparente

N Resina de poliéste

Figura 39. Tabla de uso de pegamentos para diferentes materiales.


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Dentro de estos los más usados en aeromodelismo son:

5.4.5.1. Cianoacrilato

La gran utilidad de este adhesivo es su rapidez de endurecido, su facilidad de

adhesión sobre un amplio abanico de materiales y la extraordinaria resistencia

mecánica que se consiguen con solo unas pequeñas gotas de adhesivo.

De la misma manera este tipo de adhesivo también tiene sus desventajas como la

baja resistencia frente a acciones químicas como el agua y acciones físicas como

la luz solar, es por ello que no son adecuadas para realizar uniones que estén

expuestas a la intemperie.

Este adhesivo fragua con el agua o la humedad que se encuentra en la superficie

de la pieza o en el ambiente, al ponerse en contacto el cianoacrilato con la humedad,

este reacciona rápidamente.

Algunas de las características mecánicas de este adhesivo son:

Son adhesivos resistentes y frágiles

Resistencia a esfuerzo normal de 25 Mpa

Elongación máxima de 10%

5.4.5.2. Resinas epóxicas

La noción de resina se usa para nombrar a la sustancia sintética fabricada por el

hombre que presenta propiedades similares a las resinas naturales de las plantas.

Esto quiere decir que el concepto puede dividirse en resinas naturales y resinas

sintéticas, siendo esta última el tipo de resina sobre el que se está hablando.

Una resina epoxi o poliepóxido es un polímero termoestable que se endurece

cuando se mezcla con un agente catalizador. Este tipo de resinas tiene múltiples

usos, como puede ser, endurecer otros productos.

Algunas de las propiedades mecánicas con la que cuenta la resina epóxica se

exponen a continuación:

Carga a la Rotura (N)

Módulo de Young (MPa)

Esfuerzo de tracción a la

rotura

% Deformación

Promedio 3794.26 2837.52 32.63 5.72

Desviación

estándar

763.43 187.07 6.12 0.39

Tabla 11. Propiedades mecánicas de la resina epóxica


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5.4.6. OTRAS HERRAMIENTAS

De las herramientas descritas anteriormente, se tienen algunas herramientas extras

que no entran dentro de los grupos antes mencionados, sin embargo estas son de

gran utilidad al momento de construir nuestro modelo, estas son:

Pistola de calor.- Es una herramienta eléctrica utilizada para emitir una corriente

de aire caliente. Superficialmente es similar a un secador de pelo, pero esta ópera

a una temperatura muy superior.

Plancha.- Herramienta imprescindible para forrar los aeromodelos, este tipo de

planchas cuentan con un termostato para controlar la temperatura que tiene un

rango de operación de entre 100 a 350 °F.

Soldador o cautín.- Los cautines eléctricos generan calor, al pasar la corriente por

la resistencia, esta a su vez hace que la punta se caliente y alcance la temperatura

indicada tal que pueda llegar al punto de fusión del metal de soldadura.

Destornilladores.- Herramienta que tiene un mango de madera o plástico y un

cuerpo metálico acabado en una punta que puede tener diferentes formas. Se utiliza

para apretar o aflojar tornillos.

Llaves Allen.- Piezas metálicas en forma de L que tiene dos cabezas y una forma

hexagonal, se utiliza para apretar o aflojar tornillos que tienen una ranura en forma

hexagonal en su cabeza, con la ventaja que una vez encajada la llave en la cabeza

del tornillo, es difícil que se suelte y se maneja con comodidad.

Llaves de vaso.- Son llaves cilíndricas cerradas de 6 a 12 lados interiores, con

altura variable, que llevan una abertura cuadrada en la parte superior sobre la que

se encaja la sección complementaria del elemento accionador, como puede ser la

carraca.

5.5. TÉCNICAS PARA EL CONFORMADO DE MADERA BALSA

Par conformar la madera, en el caso de la madera balsa esta es fácil de tallar, en

general todas las variedades se pueden conformar exclusivamente con abrasivos,

únicamente los cortes grandes necesitaran primeramente de una lima y posterior a

esta una lija de papel para terminar el trabajo. (Jackson y Day, 1999)

5.5.1. MARCADO

El marcado de la madera se puede realizar con lápiz, pluma o plumón, aunque es

recomendable utilizar plumón, ya que este no deja algún tipo de hendidura en la

madera, por lo contrario al utilizar un lápiz este deja una marca o hendidura con la


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forma de la punta del lápiz, lo cual puede concentrar esfuerzos en esa parte del

material y provocar una fractura.

La mejor manera de marcar ángulos rectos es usando una escuadra apoyada en

uno de los lados largos, ya que estos son los pre-cortados exactamente por el

fabricante, para ello sujete la parte larga de la escuadra contra el borde apretando

bien y marque a lo largo del otro.

Por otro lado para marcar curvas o círculos se pueden macar con compas, a mano

o con plantilla, a manera de evitar daños en la madera balsa con la punta del compás

se puede utilizar un pedazo de cartón entre la punta del compás y la madera balsa.

5.5.2. CORTE

Es preciso conocer cómo va a afectar el corte a las propiedades de la madera, ya

que si los cortes se hacen paralelos a la veta de la madera, en caso de ser una

sección ancha esta se podrá doblar a lo ancho de la madera balsa. En cambio los

cortes perpendiculares a la madera son rígidos a lo ancho y se rompen si se trata

de lograr doblar a lo largo, estos tipos de cortes resultan idóneos para los lugares

en donde se necesita rigidez como por ejemplo los perfiles.

Para realizar los cortes en la madera balsa se deben de utilizar diferentes técnicas

dependiendo de la pieza a corta y el tipo de corte a realizar.

Por lo general se utilizan cuchillas o sierras miniatura en la mayoría de las técnicas.

Para el caso de la madera balsa esta es muy fácil de cortar, con la condición de

tener una cuchilla muy afinada, esto con dos propósitos el de facilitar el corte y el

de no astillar la madera.

Cortes a la contra.- Es decir en contra de las vetas de la madera, para realizar este

tipo de cortes es necesario utilizar cuchillas en el caso de que la madera mida menos

de 5mm de grueso, en caso contrario es recomendable utilizar una sierra pequeña,

utilice una regla metálica para guiar el corte y comienza cortar a partir de los bordes

para evitar que se provoquen astillamientos.

Cortes diagonales.- Para realizar cortes diagonales de nueva cuenta se utiliza una

regla metálica para dirigir está procurando que realizar el corte en contra de la veta,

ya que de esta manera se facilitará más el corte en sentido contrario esto puede

resultar un poco más complicado, de la misma forma en caso de que la pieza sea

de un grosor mayor a 5mm, es preferible utilizar una sierra miniatura.

Cortes curvos.- En caso de tener que realizar un corte curvo es necesario sujetar

la cuchilla de forma que la veta la aleje en vez de acercarla, en caso de que la pieza

sea gruesa es preferible sujetarla mediante un tornillo y realizar el corte por medio

de una segueta gruesa de hoja estrecha, de modo que se puedan realizar la

curvatura de una manera correcta.


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Fabricación de tiras.- Dentro de la construcción de modelos de aviones es usual

que se requieran realizar tiras de madera para conformar la estructura o como

refuerzo entre otras aplicaciones que se le pueden dar es por ello que para realizar

tiras de un mismo grosor se utiliza el tiralíneas o las cuchillas para madera balsa,

mediante las cuales se pueden obtener tiras uniformes, es importante en la

utilización de estas herramientas que la madera este bien pegada a la regla, para

que el corte sea el correcto.

Corte de bloque.- Para realizar cortes de bloques en el caso de que estos sean

perpendiculares, se recomienda utilizar una sierra de dientes finos o una miniatura,

esto depende del tipo de madera que se esté cortando, ya que si es una madera

dura como pino, es necesario utilizar una sierra normal o una segueta para madera.

Para obtener un corte derecho es necesario guiar la sierra con el pulgar hasta que

el corte quede establecido o apoyando contra una regla de madera, una vez hecho

esto solo resta terminar de cortar el material.

5.5.3. CURVADO DE LA MADERA

La madera de balsa cuenta con cierta flexibilidad natural, esta flexibilidad puede ser

incrementada utilizando una de las siguientes técnicas, esta depende del tamaño

de la pieza a curvar. (Jackson y Day, 1999)

En caso de ser piezas de madera de balsa finas, basta con humedecer el material

y curvarlo y mantenerlo en esa posición con algunos pesos sin estropear la pieza,

esta se puede humedecer con agua simplemente o de ser necesario con una mezcla

de agua con pegamento blanco, esto en caso de que sean chapas de madera balsa.

Para el caso de que sean listones de madera, estos se humedecen de igual manera,

y se van conformando con los dedos, sujetando estos al tablero o molde el cual

tiene la curva, mediante alfileres, esta se quedará así hasta que la madera seque.

Se pueden utilizar tiras delgadas unidas para facilitar el trabajo y obtener el grosor

deseado, en este caso es necesario utilizar la solución de agua con pegamento

blanco para unir las tiras y conformar una sola pieza.

Para el caso de que la pieza de madera sea gruesa, se pueden abrir muescas con

una sierra o cortes en v, para curvar la madera una vez obtenida la curva deseada

esta se puede sujetar con un bastidor.

5.5.4. ENSAMBLADO

La mayoría los ensambles son variantes de la unión a tope. Para pegar la madera

balsa es recomendable utilizar pegamento para balsa (cianoacrilato) o pegamento

blanco, debido a que los clavos y tornillos pueden romper las piezas y por otro lado

estas hacen que el modelo se vuelva más pesado.


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Es importante notar que la unión a tope se realiza con madera cortada a 90°, sin

embargo esto no es lo más recomendable, ya que los cortes sesgados aumentan el

área de contacto del pegado.

Para asegurar una buena unión a tope de piezas gruesas, sujételas con los bordes

juntos y cepille estos. Para realizar una buena unión es recomendable encolar

escuadras.

Para unir bordes a tope, únicamente ponga en contacto los bordes a unir y agregue

pegamento y cubra con plástico, seguido a esto presione la unión, la zona que fue

unida comenzará a calentarse y una vez que deje de estar caliente la unión se abra

realizado.

En caso de querer lograr una unión paralela coloque las piezas sobre una superficie

plana, que este cubierta con plástico, una las piezas y agregue pegamento una vez

hecho esto coloque nuevamente plástico por encima y presione con una pieza plana

sobre las piezas, para lograr un empalme perfecto.

Junta biselada.- Este tipo de uniones permite ampliar la zona a pegar de modo que

esta tenga mayor resistencia y una mejor unión entre piezas, la distancia de la

hipotenusa recomendablemente debe ser cuatro veces la anchura de la sección.

Entalladuras.- Los ensambles con entalladuras se usan para unir las costillas y los

largueros. Estas se crean con una lima del ancho conveniente o realizando dos

cortes paralelos donde se quiera hacer la entalladura y el ancho deseado.

5.6. CORTE DE MADERA

A excepción de la madera balsa, casi ninguna madera puede cortarse con una

cuchilla normal de modelista, sin embargo todas pueden serrarse. Para realizar

cortes tales como tiras, chapas y listones se cortan con una sierra miniatura o un

serrucho fino, para realizar estos cortes, la mejor técnica es usar toda la longitud de

la hoja, dando movimientos lentos y firmes y guiándola con el índice para evitar

desviaciones. Para este caso existen sierras eléctricas miniatura que facilitan los

cortes perpendiculares e inclinados practicados tanto a hilo como a la contra.

Los cortes curvados para estas maderas se realizan con la técnica antes descrita,

únicamente que en este caso se utiliza una segueta, de la misma manera existen

seguetas eléctricas que facilitan el trabajo.

Los orificios menores de 6mm se realizan con taladros manuales, la mayor precisión

se consigue aplicando una velocidad elevada y una presión baja. En caso de

requerir orificios perpendiculares a la madera se pueden utilizar una escuadra con

espaldón, de lo contrario se puede montar el taladro manual en un soporte vertical.


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86

86

Para orificios superiores a estos se puede utilizar el taladro, en caso de requerir

orificios de gran tamaño existen brocas especiales para esto, para evitar el

astillamiento de estos orificios, saque la punta cuando esta asome por el otro lado

y empiece a perforar por este.

A partir de cierto diámetro, las aberturas se realizan con una sierra eléctrica o

manual, para comenzar es necesario realizar un orificio para poder pasar la hoja de

la sierra y una vez terminado este es recomendable utilizar una lima fina de cola de

ratón o una lija enrollada en una varilla.

5.7. PROCEDIMIENTO

Conociendo las formas de construcción de los modelos y una vez que se tiene el

modelo final, el cual es capaz de soportar las cargas a las que será sometido el UAV

Tonatiuh, se comenzó a realizar la construcción del mismo en concordancia con los

planos obtenidos del modelo computarizado.

En este trabajo se tratará la construcción únicamente del fuselaje y bancada, ya que

como se ha mencionado, el análisis y construcción del UAV se ha divido en

diferentes trabajos de modo que al conjuntarlos se tenga un modelo completo de la

aeronave.

Para comenzar la construcción es primordial tener todo organizado en la zona de

trabajo, ya que de esta forma se evitará que pueda haber perdida o daño del material

o extravío de alguna herramienta, posterior a esto y como primer paso se revisó el

plano del modelo para tener una idea de cómo se va a realizar la construcción de

este, seguido a esto se verificó que no existiera algún error en el plano.

Una vez revisado esto y con la ayuda del plano del costado del fuselaje, se comenzó

a fabricar la estructura, cortando los pedazos de madera requeridos para la sección

en construcción, fijando estos sobre el plano de la estructura, y una vez terminados

todos los elementos que conforman el costado de la estructura se empezó por pegar

con cyanoacrilato las piezas. Esta acción se repitió dos veces para obtener los dos

costados.

Una vez construidos los costados se fijaron las dos estructuras en posición sobre

un plano de la vista superior, para posterior a esto cortar y pegar las piezas que

unirán estas dos piezas.

Concluido esto se lijo la estructura resultante, para después poder pegar la “piel” del

fuselaje, del material y espesor especificado en los planos, en este punto es

importante verificar y colocar las vetas en el sentido especificado en el plano, ya

que de lo contrario la estructura pudiera sufrir alguna fractura.

Una vez terminada la estructura principal del fuselaje se colocó el tapa fuego y la

división que separa el tanque de gasolina y los componentes electrónicos abordo,


87

estas piezas fueron cortadas previamente con las ranuras especificadas en el caso

del tapa fuego, para la colocación de la bancada del motor.

Por separado se construyó la bancada del motor y una vez terminada se coloco está

pieza sobre el tapa fuego en las ranuras correspondientes.

Seguido a esto se colocaron los soportes del ala, los cuales previamente deberán

haber sido perforados y se habrá creado la cuerda de los tornillos que fijaran el ala.

Por último se fijó el soporte para el tren de aterrizaje y una vez terminado esto se

cubrió con epoxi el sitio donde se colocará el tanque de gasolina y toda la parte de

la bancada y tapa fuego.


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88

88


89

RESULTADOS

En un primer terminó se demostró que la estructura sin modificaciones, es capaz de

soportar las cargas a las que estará sometida la aeronave, mostrando también en

los resultados del análisis, que es posible quitar material de algunas partes del

fuselaje.

Como parte de este trabajo se logró realizar una reducción en el peso de la

estructura del fuselaje de 33 gramos, manteniendo la integridad estructural de la

aeronave, es decir que aun soporta las cargas a las que está sometida, sin embargo

este peso reducido se incrementó un poco debido a que la parte delantera del

fuselaje y la bancada están cubiertas de resina epóxica, para evitar que el

combustible separe las piezas unidas mediante cianocrilato, debido a la reducción

del material en la parte frontal esto también repercute en un menor uso de resina,

lo cual disminuirá aún más el peso de la aeronave.

Figura 40. Propiedades físicas calculadas mediante Solidworks para el fuselaje del UAV Tonatiuh

sin modificaciones

Figura 41. Propiedades físicas calculadas mediante Solidworks para el fuselaje optimizado del UAV

Tonatiuh

Por otro lado como resultado de este trabajo, se han podido realizar dos trabajos

que se han presentado en diferentes congresos, obtenidos a partir de datos que

surgieron de este trabajo de tesis.

RESULTADOS

90

90

90

El primer congreso en el que se presentó parte del trabajo fue en el séptimo

congreso bolivariano de ingeniería mecánica, llevado a cabo en cusco en el año

2012, con el trabajo titulado “investigación oceanográfica mediante un uav”,

presentado en el área de estructuras de este congreso, mostrando en este los

avances que se llevaban hasta ese momento sobre el diseño de la estructura y

análisis de esta misma, difundiendo de la misma manera como este podría ayudar

en las investigaciones oceanográficas. (Anexo 3)

El segundo trabajo presentado se tituló “Análisis estructural del fuselaje y bancada

por MEF del UAV Tonatiuh”, presentado en el onceavo congreso interamericano de

computación aplicada a la industria de procesos. Presentando de igual forma los

avances que se tenían en el análisis de la estructural, sin embargo en este caso el

trabajo estuvo más enfocado hacia el área de computación y su aplicación a los

análisis realizados, exponiendo también sus ventajas sobre las metodologías de

diseño pasadas. (Anexo 4)

PRUEBAS DE VUELO

Una vez construido el prototipo final del UAV Tonatiuh, en base a los planos de

construcción, especificaciones y modificaciones propuestas, se sometió el prototipo

a pruebas de vuelo en un campo aéreo, facilitándonos el acceso y la posibilidad de

volar gracias al Ing. Guzmán Caso. Antes de realizar la primera prueba de vuelo se

inspecciono visualmente la aeronave para comprobar que no existiera algún

problema con el avión.

Figura 42. Inspección visual del “UAV Tonatiuh”, en el campo de vuelo

Seguido a esto se realizó una primera prueba en tierra, para comprobar que los

mandos de la aeronave (alerones, timón, elevador y acelerador del motor)

respondieran correctamente al radio y que el flujo de combustible hacia el motor no

fuera interrumpido al realizar maniobras, dando como resultado que el motor se

detuviera en vuelo.


91

Figura 43. Prueba de flujo continuo de combustible previo al vuelo

Una vez comprobado esto se realizaron las primeras pruebas de vuelo, para

comprobar si todos los resultados obtenidos experimentalmente, por medio del

programa basado en MEF, eran consistentes con la realidad, por lo que con ayuda

del Ing. Guzmán Caso, realizando las funciones de piloto, es decir controlando la

aeronave por medio del radiocontrol. En estas primeras pruebas las superficies de

control respondieron bien al radiocontrol y al realizar la inspección de los mandos

únicamente se tuvo que ajustar un poco mecánicamente el timón y el elevador, para

que en el momento de estar en posición neutral, estos efectivamente estén en la

posición neutral.

A la fecha se han realizado 4 pruebas de vuelo, en el caso de la primera prueba el

vuelo fue satisfactorio, ya que el avión no sufrió algún tipo de daño severo,

únicamente se raspo un poco la parte del cowling del motor, debido a que el

aterrizaje se realizó cerca del término de la pista, por lo cual el avión no alcanzo a

frenar dentro de la pista y por tanto se atoro en los arbustos, sin embargo no tenía

algún daño considerable, salvo de este incidente el vuelo se realizó correctamente

y se comprobó que la estructura del fuselaje soporta las cargas a las que se ve

sometida.

Figura 44. Aterrizaje del primer vuelo del UAV Tonatiuh

RESULTADOS

92

92

92

En primera instancia se platicó con el Ing. Guzmán para conocer de primera mano

los problemas que él había detectado, comentándonos que el avión tenía tendencia

hacia la izquierda, un segundo comentario obtenido de este primer vuelo, fue que

este presentaba una inclinación hacia adelante, lo cual indicaba que este estaba

muy pesado de la nariz, por lo que como solución a estos dos problemas se

incrementó el peso en la parte trasera del fuselaje y se corrigió la inclinación del

motor para evitar el giro a la izquierda.

En el momento de realizar estas reparaciones en el taller, se notó un problema

adicional, ya que al observar detenidamente las alas y con la ayuda de unas varillas

de madera se corroboro que el ala del avión estaba torcida, provocando esto

también que avión girara a la izquierda, de modo que también se corrigió este

problema.

Una vez realizados los ajustes se volvió a realizar un vuelo en el cual

desafortunadamente en el momento de realizar el despegue y realizar un giro para

llevar el avión a un área libre de obstáculos, el avión entro en perdida y se estrelló

contra el piso desde una altura no mayor a los 20 metros, por lo que la aeronave

sufrió daños considerables en el área de la bancada y el cowling, sin embargo este

daño fue moderado en razón al golpe que recibió, este problema se debió a una

pérdida de la señal del radio control, ya que a decir del Ing. Guzmán al querer

componer la maniobra los mandos no respondieron.

Figura 45. Momento en el que el UAV Tonatiuh entro en perdida, durante su segundo vuelo

Debido a este incidente se revisaron las conexiones internas del avión para

comprobar que los servomotores estuvieran correctamente conectados al receptor

del radio control, concluyendo que la perdida de la comunicación pudo ser debida a

la mala colocación de la pila provocando que se saliera de su posición y se perdiera

la corriente en el receptor del avión, lo cual provoco que no se tuviera control de la

aeronave, resultando esto en la caída del UAV.


93

Reparando los daños sufridos y colocando nuevas protecciones para evitar que la

batería se saliese de su lugar, se realizó un tercer vuelo en el cual se comprobó que

la aeronave este vez estaba casi lista, ya que empleando las compensaciones de

los trim’s de los mandos, fue suficiente para corregir el giro a la izquierda, hecho

que no se pudo comprobar en el vuelo anterior debido al incidente ocurrido, sin

embargo en este tercer vuelo se observó que el giro a la izquierda se corrigió.

Figura 46. Aterrizaje fallido del UAV Tonatiuh en su tercer vuelo

Únicamente se suscitó un percance en el momento del aterrizaje con la fractura de

los tornillos de nylon que sujetan el tren de aterrizaje. Incidente que se debió a que

el ángulo con el cual toco tierra era muy grande provocando el degollamiento de las

cabezas de los tornillos.

Por último se realizó un último vuelo para comprobar que todos los problemas hayan

sido solucionados satisfactoriamente, los resultados de este vuelo fueron

satisfactorios, ya que no se tuvo problema alguno en el momento del despegue,

algunos virajes que se realizaron, un vuelo recto y nivelado y en el momento del

aterrizaje.

Figura 47. Despegue del UAV Tonatiuh en su cuarto vuelo

RESULTADOS

94

94

94

Figura 48. Momentos antes del Aterrizaje del UAV Tonatiuh en su cuarto vuelo

Figura 49. Viraje del UAV Tonatiuh durante su cuarto vuelo

Una vez comprobado mediante las pruebas de vuelo que la aeronave estaba apta

para volar sin ningún contratiempo, se montó una cámara provisional de no muy

buena resolución en el costado derecho del fuselaje para obtener las primeras

imágenes y mostrarlas a los interesados para con ello saber si estas eran

funcionales.

Figura 50. Imagen aérea tomada con una cámara provisional adosada a un costado del UAV

Tonatiuh

Cabe señalar que aún no se realiza el correcto soporte de la cámara y la integración

de tarjetas electrónicas para realizar vuelos autónomos, así como también las

pruebas en campo.


95

CONCLUSIONES

Primeramente la idea principal de emplear un UAV como apoyo a los diferentes

muestreos que se llevan a cabo en la investigación oceanográfica, ha demostrado

su efectividad, ya que a lo largo de los dos años que lleva el proyecto se han logrado

resultados satisfactorios del prototipo construido.

Producto de este trabajo se han obtenido imágenes aéreas mediante el UAV

Tonatiuh, con las que se observa la gran utilidad que pudiera tener este, por lo que

en un primer término el UAV podría sustituir al globo que normalmente utilizan los

investigadores de la UV. Además la aeronave desarrollada, es capaz de soportar el

peso de una cámara multiespectral, lo cual haría que el objetivo del proyecto se

cumpliera en su totalidad.

Por otro lado, al obtener los resultados de las pruebas de vuelo, pudimos constatar

que la aeronave funciona de manera adecuada, es decir, vuelo a baja velocidad y

buena estabilidad, permitiendo que las imágenes obtenidas sean las adecuadas,

con lo cual se cubrió las expectativas tanto del proyecto como de los investigadores.

Considerando los análisis realizados, se puedo comprobar de manera práctica, que

los resultados obtenidos de manera teórica en las simulaciones, empleando el

programa basado en Método de Elementos Finitos (MEF), son los correctos, ya que

durante las pruebas de vuelo realizadas y su posterior análisis de falla, se constató

que el fuselaje, así como la bancada soportan las cargas a las que están sometidas,

dado que las fallas dentro de las pruebas de vuelo se debieron a causas ajenas a

las dos estructuras analizadas.

Así mismo, los programas con MEF utilizados para la realización de este trabajo,

facilitaron el diseño y cálculo estructural, para la optimización de las estructuras

trabajadas, dando como resultado una reducción de peso de la aeronave y la

garantía de que las estructuras obtenidas eran seguras y funcionales, lo cual

repercutió en un aumento de la autonomía de la aeronave y la confianza de que la

estructura es capaz de soportar la instrumentación que se quiere integrar en el UAV.

Hablando de los programas empleados, es importante detallar que el complemento

de poder diseñar (CAD) y calcular la estructura (CAE), e inclusive el de maquinar la

pieza (CAM), ha complementado estos, ya que la inclusión de todas estas

herramientas en un solo programa es de gran utilidad para el ingeniero, debido a

que la modificación de las piezas o estructura, póstumo a un análisis se puede

desarrollar de manera breve y fácil, sin la necesidad de un cambio de programa.

Aún queda mucho por desarrollar e innovar en las estructuras de los UAV’s, sin

embargo su análisis mediante programas basados en el Método de Elementos

Finitos al alcance de la mayoría de las personas interesadas en la creación de estos

prototipos, ha abierto una gran ventana de oportunidades para su desarrollo e

implementación en investigaciones de diferentes ciencias de estudio.

CONCLUSIONES

96

96

96


97

ANEXO 1 NORMATIVIDAD PARA LOS UAV’S

En una reunión de agencias internacionales que regulan la reglamentación

aeronáutica de diferentes países, tales como FAA (Federal Aviation Administration),

EASA (European Aviation Safety Agnecy), entre otras, que se llevó acabo en el

show internacional anual del UAV, que se celebra paralelamente con el espectáculo

aéreo de Paris, se llegó a la conclusión de crear un comité que coordinara el

desarrollo e implementación de estándares de operación de vuelo, política y

regulación.

Tiempo después representantes de la FAA y de EASE, se reunieron en Junio de

2005 en Colonia, Alemania y anunciaron un plan para comenzar un desarrollo

paralelo del proyecto del reglamento de aeronavegabilidad de los UAV’s.

A la fecha algunas agencias a nivel mundial han creado varias regulaciones o

estándares que fijan la normatividad para este tipo de aeronaves, sin embargo

algunas de estas recomiendan que los UAV’s deberían cumplir con un equivalente

nivel de seguridad comparado con una aeronave convencional. (uavm, 2013)

Es por ello que para este análisis nos basaremos en la regulación vigente de la FAA,

en específico en el FAR (Federal Aviation Regulation), Título 14. Aeronáutica y

espacio, Capítulo 1. Administración Federal de Aviación, Departamento de

Transportación, Subcapítulo C. Aeronaves, Parte 23. Estándares de

aeronavegabilidad: Normal, utilitario, acrobático y categorías cercanas de aviones,

Subparte C. Estructura. Es en esta parte donde vamos a consultar las partes 23.301.

Cargas, 23.303. Factor de Seguridad, 23.305. Resistencia y deformación y 23.307

Pruebas de estructura.

Para considerar si una aeronave cumple con la normativa correspondiente a las

cargas, la estructura deberá estar por debajo de los límites de carga y últimas cargas

(límite de carga multiplicado por un factor de seguridad). Las cargas empleadas

deberán estar distribuidas simulando de la manera más real las condiciones reales

de vuelo.

Sí la deflexión debida a las cargas cambia significativamente la distribución de

cargas externas e internas, se deberá tomar en cuenta esta redistribución de las

cargas. (23.301)

A menos que se disponga lo contrario, se deberá utilizar un factor de seguridad de

1.5. (23.303)

ANEXO 1. NORMATIVIDAD PARA LOS UAV’S

98

98

98

La estructura debe ser capaz de soportar las cargas límite sin dañar la integridad de

la estructura o provocar deformación permanente. En todas las cargas hasta la

carga límite, la deformación no debe interferir con la operación segura. (23.305)

El cumplimiento de lo establecido en el anterior enunciado, se deberá demostrar

para cada condición de carga crítica (despeje, viraje y aterrizaje). El análisis

estructural se puede emplear para aquellas estructuras para las que la experiencia

ha demostrado que el empleo de este método es fiable. (23.307)

ANALISIS ESTRUCTURAL DEL FUSELAJE Y BANCADA DEL UAV TONATIUH

99

ANEXO 2 SOLIDWORKS

El paquete empleado para la solución del problema planteado en este trabajo, es

SolidWorks propiedad de Dassault Systèmes SolidWorks Corp., dicho software fue

utilizado en parte a que la compañía que desarrollador software es una de las líderes

en tecnología de CAD en 3D. Desde el principio en 1995, esta empresa colocó en

el mercado el primer software de SolidWorks®, con la finalidad de ser un software

de fácil aplicación, es por eso que a los dos meses, recibió elogios de todo el sector

por establecer un nuevo estándar de en cuanto a facilidad de uso.

Este software está diseñado para un fácil de aprendizaje, gracias a sus

herramientas de flujo de trabajo y su fácil integración con otras tecnologías que

ayudan a realizar el diseño de una manera rápida, lo cual redunda en un ahorro de

tiempo y de la misma forma en la reducción de los errores de diseño.

Una de las ventajas principales de este paquete es que está centrado en el diseño,

por tanto se simplifica el proceso de diseño 3D, de esta manera SolidWorks ayuda

a los usuarios a ser más productivos, en lugar de recordar complejas reglas, para

con ello que el ingeniero o diseñador puede centrarse en crear mejores productos,

no software.

¿QUE ES SOLIDWORKS?

Es un software de automatización de diseño mecánico que aprovecha la conocida

interfaz gráfica de Microsoft Windows®, dicho software como ya se mencionó es una

herramienta de fácil aprendizaje que hace posible que los diseñadores mecánicos

croquicen con rapidez sus ideas, experimenten con operaciones y cotas, y

produzcan modelos y dibujos detallados.

En los siguientes subtemas se dará una idea general de lo que es el programa

SolidWorks, así como de las funciones principales utilizadas dentro de este

proyecto. (Help.SolidWorks, 2013)

Conceptos básicos

Algunos de los conceptos básicos que se deben de conocer, acerca de este

software son:

Un modelo de SolidWorks se compone de una geometría sólida 3D en un

documento de pieza o ensamblaje.

ANEXO 2. SOLIDWORKS

100

10

0

10

0

Los dibujos se crean a partir de modelos o dibujando vistas en un documento

de dibujo.

Generalmente se empieza con un croquis y se crea una operación de base,

para posterior agregar más operaciones al modelo, también se puede iniciar

con una superficie importada o una geometría sólida.

Se puede definir su diseño agregando, editando o reorganizando las

operaciones.

La relación de asociación entre las piezas, ensamblajes y dibujos garantiza

que los cambios realizados en un documento o una vista se realizaran

automáticamente en el resto de documentos o vistas.

Puede generar dibujos o ensamblajes en cualquier momento durante el

proceso de diseño.

Ensamblajes

Se pueden construir ensamblajes complejos, consistentes en numerosos

componentes que pueden ser piezas de otros ensamblajes llamados

subensamblajes. Al agregar un componente a un ensamblaje se crea un vínculo

entre el mismo y el componente, por lo que cuando se abre el ensamblaje, el

programa busca el archivo del componente para mostrarlo en el ensamblaje, por

ello los cambios efectuados en el componente se reflejan automáticamente en el

ensamblaje.

Para la creación de ensamblajes, se pueden utilizar dos técnicas de ensamblaje

diseño ascendente, diseño descendente o una combinación de ambos métodos.

Diseño ascendente.

El diseño ascendente es el método tradicional, en el cual primero se diseñan y

modelan las piezas, para después introducirlas en un ensamblaje y dentro del

ensamblaje, se utilizan relaciones de posición para posicionarlas y referenciarlas

unas de otras. Para cambiar o modificar las piezas estas se deben editar

individualmente, ya que como se ha dicho, los cambios realizados en las piezas se

verán reflejados en el ensamblaje.

El diseño ascendente es la técnica preferida para piezas previamente construidas y

listas para usar o componentes estándar como accesorios, poleas, motores, etc.


101

Diseño descendente.

En este tipo de diseño se pueden diseñar las formas, los tamaños y las posiciones

de piezas en el ensamblaje. Las ventajas del diseño descendente es que, se

necesita modificar mucho menos cuando se producen cambios, ya que se sabe

cómo actualizar las piezas basándose en la forma en la que se han creado.

En la práctica, los diseñadores generalmente utilizan técnicas de diseño

descendentes para diseñar ensamblajes y capturar las características principales

específicas para dichos ensamblajes.

Dibujos

Se pueden crear dibujos 2D de piezas y ensamblajes sólidos 3D. Las piezas, los

ensamblajes y los dibujos están vinculados a los documentos; cualquier cambio que

se realice en una pieza o en un ensamblaje modifica el documento de dibujo.

Por lo general un dibujo está formado por varias vistas generadas a partir de un

modelo. Las vistas también pueden crearse a partir de vistas existentes.

Perspectiva general de las piezas

La pieza es el bloque de construcción básico del software de diseño mecánico

SolidWorks.

Básicamente en un documento del tipo pieza, pueden realizarse los siguientes tipos

de funciones de edición de operaciones:

Editar la definición, el croquis o las propiedades de una operación.

Controlar las cotas

Perspectiva general de materiales

Los materiales encapsulan las características físicas de una pieza o un sólido de

pieza, este software brinda una biblioteca de materiales predefinidos que se

comparten son SolidWorks Simulation, para el efecto de realizar los distintos tipos

de análisis que se pueden realizar con este software, que serán explicados más

adelante.

ANEXO 2. SOLIDWORKS

102

10

2

10

2

INFORMACIÓN SOBRE LOS ANÁLISIS

Es importante señalar que no se debe fundamentar las decisiones tomadas sobre

el diseño, únicamente de los resultados obtenidos con el programa, sin embargo lo

más conveniente es utilizar esta información en conjunto con datos experimentales

y con la experiencia práctica, para tales fines. Por otro lado las pruebas realizadas

en campo son obligatorias para validar cualquier diseño definitivo.

Es por ello que este software ayuda a reducir el tiempo de salida al mercado de los

productos, aunque sin llegar a eliminar las pruebas de campo por completo.

Este software es capaz de realizar los siguientes análisis:

Análisis estático lineal

Análisis de frecuencias

Análisis dinámico

Análisis de pandeo linealizado

Análisis térmico

Análisis estático no lineal

Análisis de caída

Análisis de fatiga

Estudios de diseño

Diseño de recipiente a presión

Vigas y cabezas de armaduras

Por ser de interés para este trabajo, únicamente se analizaran a fondo el análisis

estático lineal y no lineal.

Análisis estático lineal

Este análisis calcula los desplazamientos, las deformaciones unitarias, las

tensiones y las fuerzas de reacción bajo el efecto de cargas aplicadas.

Para este análisis se realizan las siguientes suposiciones:


103

Suposición estática. Todas las cargas se aplican lenta y gradualmente hasta

que alcanzan sus magnitudes completas. A continuación, las cargas

permanecen constantes (sin variación en el tiempo). Esta suposición nos

permite ignorar las fuerzas inerciales y de amortiguación debido a pequeñas

aceleraciones y velocidades poco significativas.

Suposición de linealidad. La relación entre cargas y respuesta inducidas es

lineal. Se puede realizar la suposición de linealidad si:

o Todos los materiales del modelo cumplen con la Ley de Hook, es decir,

la tensión es directamente proporcional a la deformación unitaria.

o Los desplazamientos inducidos son lo suficientemente pequeños

como para ignorar el cambio en la rigidez causada por la carga.

o Las condiciones de contorno no varían durante la aplicación de las

cargas. Las cargas deben de ser constantes en cuanto a magnitud,

dirección y distribución. No deben cambiar mientras se deforma el

modelo.

Algunos de los puntos clave a tomar en cuenta al realizar este tipo de análisis son:

Cantidades básicas

Las fuerzas que actúan en un sólido variarán de un punto a otro, a través de toda

pequeña área interna de un plano establecido por el tipo de método empleado, es

decir el MEF. En este análisis la tensión (fuerzas por unidad de superficie) denota

la intensidad de estas fuerzas internas.

Para comprender más el hecho de cómo se calcula la tensión, imaginemos un plano

arbitrario que corte a un sólido atravesándolo en un punto, por otro lado

consideremos una superficie infinitesimalmente pequeña ∆A alrededor de dicho

punto del plano y supongamos que la magnitud de fuerza transmitida, a través de

∆A en una dirección determinada es ∆F, por tanto la tensión dada en esa dirección

es aquella dada por ∆F/∆A, ya que se aproxima a 0.

Por otro lado la deformación unitaria, es la proporción entre el cambio en la longitud

δ y la longitud original L, esta magnitud es una cantidad sin dimensiones.

Secuencias de cálculos

ANEXO 2. SOLIDWORKS

104

10

4

10

4

Dado un modelo mallado con un conjunto de restricciones de desplazamiento y

cargas, el programa de análisis estático lineal procede de la siguiente manera:

1) El programa construye y resuelve un sistema de ecuaciones lineales de

equilibrio simultáneas para todos los elementos finitos, de modo que se

puedan calcular los componentes del desplazamiento en cada nodo.

2) Posterior a esto, el programa utiliza los resultados del desplazamiento para

calcular los componentes de la deformación unitaria.

3) Para finalizar, el programa emplea los resultados de la deformación unitaria

y de las relaciones tensión-deformación unitaria para calcular las tensiones.

A continuación se muestra un diagrama para ver el proceso descrito.

Figura 51. Diagrama de la secuencia de cálculos de Solidworks

Cálculos de tensión

Los resultados de la tensión primero se calculan en puntos especiales, llamados

puntos gaussianos o puntos de cuadratura, ubicados dentro de cada elemento,

estos son seleccionados para brindar resultados numéricos óptimos, posterior a

esto el programa calcula las tensiones en los nodos para cada elemento

extrapolando los resultados disponibles en los puntos gaussianos.

Después de una ejecución correcta, los resultados de la tensión nodal en cada nodo

de todo elemento están disponibles en la base de datos, sin embargo los nodos

comunes a dos o más elementos tienen múltiples resultados, esto es debido a que

en general este método de elementos finitos es un método aproximado, como ya se

ha explicado. Por ejemplo, si un nodo es común a tres elementos, puede haber tres

valores ligeramente diferentes para cada componente de tensión en ese nodo.

Para calcular las tensiones de los elementos, el programa promedia las tensiones

nodales correspondientes para cada elemento y para obtener las tensiones nodales,


105

de la misma manera promedia los resultados correspondientes de todos los

elementos que comparten ese nodo.

Datos de entrada

Para realizar el análisis estático lineal, se necesitan los siguientes datos de entrada:

Modelo mallado. Se debe mallar el modelo antes de ejecutar el análisis, para

ello es necesario definir las condiciones de contacto antes del mallado,

cualquier cambio en la geometría, condiciones de contacto u opciones de

malla requiere un nuevo mallado.

Propiedades de material. Se deben definir el Módulo de Young (EX) (también

denominado módulo de elasticidad), coeficiente de Poisson (NUXY) en caso

de no estar definido se considera cero, además es necesario definir la

densidad (DENS) al considerar el efecto de la gravedad y/o carga centrífuga

y el coeficiente de expansión térmica (ALPX) al considerar la carga térmica.

Al seleccionar un material de la biblioteca de materiales predeterminados,

estas propiedades se asignan automáticamente, de lo contrario se tendría

que crear un material personalizado, proporcionando estos valores al nuevo

material.

Sujeciones. Restricciones adecuadas para evitar el movimiento de un sólido

rígido.

Cargas. Se debe definir al menos uno de los tipos de carga siguiente:

o Fuerzas concentradas

o Presión

o Desplazamientos

o Fuerzas del sólido (gravitacionales y/o centrifugas)

o Térmicas

Cabe resaltar que los criterios de fallos utilizan el límite elástico, el límite de tracción

y el límite de compresión para evaluar el fallo, estos no se utilizan para calcular

tensiones.

ANEXO 2. SOLIDWORKS

106

10

6

10

6

Datos resultantes

Al obtener los resultados de forma predeterminada, las direcciones X, Y y Z, se

refieren al sistema de coordenadas global, en caso de elegir una geometría de

referencia, estas direcciones se refieren a la entidad de referencia seleccionada.

Los datos obtenidos son:

Componentes de desplazamiento

Componentes de deformación unitaria

Tensiones elementales y nodales

Análisis estático no lineal

Todas las estructuras reales se comportan de forma no lineal, de uno u otro modo

en algún nivel de la carga. En algunos casos, el análisis lineal puede ser adecuado,

pero en muchos otros, la solución lineal puede producir resultados erróneos debido

a que se violan las suposiciones sobre las que se basa.

La no linealidad puede ser provocada por el comportamiento del material, los

grandes desplazamientos y las condiciones de contacto, es por eso que cuando

falla una o más de las suposiciones hechas para el análisis lineal, se producen

predicciones incorrectas y se debe utilizar el análisis no lineal para modelar las no

linealidades.

No linealidades estructurales

Las fuentes principales de no linealidades estructurales que se encuentran en las

aplicaciones prácticas son las siguientes:

No linealidades geométricas. Se debe al efecto de grandes desplazamientos en

la configuración geométrica general de las estructuras. Las estructuras que

están siendo sometidas a grandes desplazamientos, pueden tener cambios

significativos en su geometría, debido a las deformaciones inducidas por la

carga que pueden causar que la estructura responda de forma no lineal en un

modo de rigidización y/o ablandamiento.

No linealidades del material. Esto se debe a la dependencia de la relación

tensión-deformación unitaria del material en el historial de carga que depende

entre otros factores de la duración de la carga y la temperatura.

No linealidades de contacto. Esta es una clase especial de problemas no

lineales, que está relacionado con la naturaleza cambiante de las condiciones

de contorno de las estructuras que intervienen en el análisis durante su

ejecución.


107

CARGAS Y RESTRICCIONES

Las cargas y restricciones son necesarias para definir el entorno en el que el modelo

actúa, de las cuales dependen los resultados del análisis directamente. De forma

general las cargas y restricciones se aplican a entidades geométricas como

operaciones que se asocian completamente a la geometría y se ajustan

automáticamente a cambios geométricos.

Para comprender más de como el programa emplea estas definiciones, se

explicaran las funciones con las que cuenta el software.

Sujeciones

Mediante esta opción el programa permite prescribir desplazamientos iguales a cero

y distintos de cero en vértices, aristas o caras para utilizarlos en estudios estáticos,

de frecuencia, de pandeo, dinámicos y no lineales.

Las restricciones de movimiento permitidas en el programa, se enlistan en la

siguiente tabla.

Tipo de restricción Entidades de restricción

Tipo de geometría de referencia

Entrada requerida

Geometría fija (Fija traslaciones y rotaciones)

Vértices, aristas y caras

N/D N/D

Inamovible (fija las translaciones solamente)


N/D N/D

Simetría Caras de sólidos y aristas de vaciados

N/D N/D

Rodillo/Control deslizante

Caras N/D N/D

Bisagra fija Caras cilíndricas N/D N/D

Utilizar geometría de referencia


Cara, arista, plano o eje

Traslaciones y rotaciones prescritas en las direcciones deseadas

Sobre caras planas Caras planas N/D Traslaciones y rotaciones prescritas en las direcciones deseadas asociadas con la cara plana seleccionada

Sobre caras cilíndricas

Caras cilíndricas N/D Traslaciones y rotaciones prescritas en las direcciones deseadas asociadas con la cara cilíndrica seleccionada

Sobre caras esféricas

Caras esféricas N/D Traslaciones y rotaciones prescritas en las direcciones deseadas asociadas con la cara esférica seleccionada

Simetría circular Conjuntos de caras planas o no planas

Eje N/D

Tabla 12. Tipos de restricciones para Solidworks

ANEXO 2. SOLIDWORKS

108

10

8

10

8

Los modelos que no están restringidos de manera adecuada pueden trasladarse o

girar libremente.

Cargas y restricciones estructurales

Para los estudios estáticos y de pandeo, se necesita algún tipo de carga o un

desplazamiento prescrito antes del análisis. Los siguientes tipos de carga están

disponibles para los estudios estructurales:

Presión

Existen dos formas de aplicar presión de manera uniforme o no uniforme. La presión

uniforme se aplica en la dirección especificada y se distribuye de manera uniforme

a todas las caras seleccionadas.

La magnitud de la fuerza equivalente generada por la presión es igual al valor de la

presión por el área de la cara. Sin embargo, la fuerza neta equivalente depende de

la geometría de la cara y de la dirección de la presión.

En cambio la presión no uniforme se describe mediante un multiplicador y una

distribución de presión, esta se establece mediante los coeficientes de un polinomio

de segundo grado en términos de un sistema de coordenadas de referencia.

Fuerza

SolidWorks aplica fuerzas, momentos o torsiones distribuidos de manera uniforme

en caras, aristas, puntos de referencia, vértices y vigas en cualquier dirección, para

su uso en estudios estructurales. El valor de la fuerza especificado se aplica a cada

vértice, arista, cara o viga seleccionados, es importante mencionar que cuando se

aplica una fuerza el valor especificado representa sólo la magnitud.

Sólo se podrá aplicar fuerzas no uniformes a caras, aristas de vaciado y vigas, estas

fuerzas están especificadas por un valor y una distribución de fuerza, el valor de la

fuerza es la suma de los valores absolutos de las fuerzas aplicadas a cada cara.

Gravedad

Esta opción aplica aceleraciones lineales a un documento de pieza o ensamblaje

para ser utilizado en los análisis estructurales y no lineales. Se puede especificar la

aceleración en las direcciones X, Y y Z de un sistema de coordenadas definido por

una cara plana o un plano de referencia, de la misma forma se puede definir la

aceleración lineal a lo largo de una arista recta.


109

La carga de gravedad en cada dirección se calcula multiplicando la aceleración de

gravedad especificada por la masa, la cual es calculada a partir del valor de

densidad del material.

Para el caso de estudios no lineales, se pueden definir las aceleraciones de

gravedad dependientes del tiempo.

Carga centrífuga

Aplica una velocidad angular y aceleración angular a una pieza o un ensamblaje en

estudios estáticos, de frecuencia, pandeo o no lineales. El software utiliza los

valores especificadas de velocidad angular, aceleración angular y la densidad de

masa para calcular las cargas centrífugas, en el caso de estudios no lineales, se

puede definir los niveles de velocidad angular y aceleración angular dependientes

del tiempo.

Cargas remotas

Las cargas, restricciones y masas remotas pueden simplificar un modelo, dentro de

este tipo están disponibles las siguientes:

Carga (transferencia directa).- Se usa cuando el componente omitido es

suficientemente flexible pero sus desplazamientos aún se encuentran dentro

del desplazamiento pequeño supuesto. Una fuerza aplicada en una ubicación

remota se transfiere como una fuerza y momentos equivalentes aplicados a

las caras seleccionadas.

Carga (unión rígida).- Una ubicación remota es una ubicación fuera de la

geometría del modelo. Esta ubicación está conectada a las entidades

seleccionadas mediante barras rígidas, al estar conectadas de forma rígida

a un punto en común, sólo pueden deformase como un sólido rígido.

Desplazamiento (conexión rígida).- Se puede usar cuando los componentes

reemplazados son suficientemente rígidos con respecto a los componentes

modelados y se conocen las traslaciones y/o rotaciones remotas que pueden

reemplazar su efecto en el resto del modelo.

Desplazamiento (transferencia directa).- Disponible sólo para estudios no

lineales, esta opción conecta la ubicación remota con el centro de las

entidades seleccionadas por una barra rígida, a la cual se aplican

translaciones y rotaciones, por ende las entidades seleccionadas se

deforman en consecuencia.

ANEXO 2. SOLIDWORKS

110

11

0

11

0

Cargas en rodamientos

Las cargas en rodamientos se desarrollan entre caras cilíndricas o aristas de

vaciado que están en contacto, en la mayoría de los casos, las caras o aristas en

contacto tienen el mismo radio. Las fuerzas de rodamientos generan una presión

uniforme en la interfaz del contacto.

Conectores

Un conector es un mecanismo que se define como una entidad (vértice, arista, cara)

que está conectada a otra o a tierra. Su utilización simplifica el modelado porque,

en muchos casos, se puede simular el comportamiento deseado sin tener que crear

una geometría detallada o definir condiciones de contacto.

Los siguientes conectores están disponibles:

Rígido.- Define una articulación rígida entre caras de dos sólidos distintos.

Resorte.- Define un resorte que sólo puede resistir la tensión (cables) y/o la

compresión.

Pasador.- Conecta las caras cilíndricas de dos componentes.

Soporte elástico.- Define un cimiento elástico entre las caras seleccionadas

de una pieza o ensamblaje y la tierra.

Perno.- Define un conector de perno entre dos componentes o entre un

componente y la tierra.

Vincular.- Vincula dos ubicaciones cualesquiera en el modelo por medio de

una barra rígida con bisagras en ambos extremos.

Soldadura rígida.- Estima el tamaño adecuado de una soldadura necesaria

para asociar dos componentes de metal.

Soldadura de punto. Conecta dos o más chapas metálicas finas

superpuestas en pequeñas zonas sin utilizar ningún material de relleno.

Rodamiento. Aplica un conector de rodamiento entre un eje y un receptáculo.

Un soporte de rodamiento aplica el soporte de rodamiento entre un

componente y la tierra.

Temperatura


111

Excepto por la temperatura que también se usa en los estudios estructurales, sólo

esta accesible para estudios térmicos.

En caso de estudios térmicos de estado estable con una fuente de calor, se debe

definir un mecanismo para disipar el calor, ya que de lo contrario, el análisis se

detiene puesto que las temperaturas aumentan sin límite. Los estudios térmicos

transitorios se ejecutan por un período de tiempo relativamente corto y, en

consecuencia, no requieren de un mecanismo de disipación de calor.

Los siguientes tipos de cargas y restricciones están disponibles para estudios

térmicos:

Temperatura

Convección

Flujo de calor

Potencia calorífica

Radiación

Ajustes por contracción

Se refiere al ajuste de un objeto dentro de una cavidad ligeramente más pequeña,

debido a las fuerzas normales que se desarrollan en la interfaz, el objeto interno se

contrae mientras que el objeto externo se expande. El grado de contracción o

expansión se determina por las propiedades del material, además de la geometría

de los componentes, este ajuste se aplica como una condición de contacto local

MALLADO

El mallado es un proceso crucial en el análisis de un diseño. El mallado automático

en el software genera una malla basándose en un tamaño de elemento global, una

tolerancia y especificaciones locales de control de malla, este control permite

especificar diferentes tamaños de elementos de componentes, caras, aristas y

vértices.

El software estima un tamaño de elemento global para el modelo tomando en cuenta

su volumen, área de superficie y otros detalles geométricos, de la misma forma, el

tamaño de malla generada depende de la geometría, las cotas del modelo, el

tamaño del elemento, la tolerancia de la malla y las especificaciones de contacto.

ANEXO 2. SOLIDWORKS

112

11

2

11

2

En las primeras etapas del análisis de diseño donde los resultados aproximados

pueden resultar suficientes, se puede especificar un tamaño de elemento mayor

para una solución más rápida, de modo que para obtener una solución más precisa,

es posible que sea necesario utilizar un tamaño de elemento más pequeño.

En general el mallado genera elementos sólidos tetraédricos en 3D, elementos de

vaciado triangulares en 2D y elementos de viga en 1D. Una malla está compuesta

por un tipo de elementos a no ser que se especifique el tipo de malla mixta, los

elementos sólidos son apropiados para modelos de gran tamaño, los elementos de

vaciado resultan adecuados para modelar piezas delgadas y las vigas y cabezas de

armadura son apropiados para modelar miembros estructurales.

La malla representa el modelo sobre del cual se va a aplicar el análisis, por ello las

acciones siguientes exigen un nuevo mallado del estudio antes de ejecutarlo:

Cualquier cambio en la geometría.

Cualquier cambio en las condiciones de contacto.

Cualquier cambio en el control de malla.

Por el contrario las siguientes acciones no exigen un nuevo mallado del modelo:

Cambio de las propiedades del material.

Adición, eliminación o modificación de cargas o restricciones

Modificación de las propiedades del estudio

Modificación de opciones

Para conocer un poco más de los tipos de mallado y sus propiedades a continuación

se describirá como son tratados estos parámetros en SolidWorks.

Malla sólida

En el mallado de una pieza o un ensamblaje con elementos sólidos, el software

genera uno de los siguientes tipos de elementos basados en las opciones de

mallado activas del estudio:

Malla con calidad de borrador. El mallador automático genera elementos

sólidos tetraédricos lineales (elementos de primer orden o de orden inferior).

Malla de alta calidad. El mallador automático genera elementos sólidos

tetraédricos parabólicos (elementos de segundo orden o de orden superior).


113

Un elemento tetraédrico lineal se define mediante cuatro nodos angulares

conectados por seis aristas rectas, en cambio un elemento tetraédrico parabólico es

definido mediante cuatro nodos angulares, seis nodos centrales y seis aristas. Las

siguientes figuras muestran dibujos esquemáticos de elementos sólidos tetraédricos

lineales y parabólicos.

Figura 52. Elemento sólido lineal y parabólico utilizado por Solidworks para el mallado

En general, para la misma densidad de malla (número de elementos), los elementos

parabólicos brindan mejores resultados que los elementos lineales porque:

representan contornos curvos con mayor precisión y producen mejores

aproximaciones matemáticas. Sin embargo, los elementos parabólicos requieren

mayores recursos computacionales que los elementos lineales.

Malla de vaciado

Al utilizar elementos de vaciado, el software genera uno de los siguientes tipos de

elementos, según las opciones de mallado activas del estudio:

Malla con calidad de borrador. El mallador automático genera elementos de

vaciado triangulares lineales.

Malla de alta calidad. El mallador automático genera elementos de vaciado

triangulares parabólicos.

Un elemento de vaciado triangular lineal se define mediante tres nodos angulares y

tres aristas rectas, en cambio un elemento de vaciado triangular parabólico se define

mediante tres nodos angulares, tres nodos centrales y tres aristas parabólicas. Para

los estudios que utilizan planchas metálicas, el espesor de los vaciados se extrae

automáticamente de la geometría del modelo.

Los elementos de vaciado son elementos en 2D capaces de resistir cargas de

plegado y membrana.

ANEXO 2. SOLIDWORKS

114

11

4

11

4

Figura 53.- Elemento triangular lineal y triangular parabólico utilizado por Solidworks para el

mallado

Para estudios estructurales, cada nodo en elementos de vaciado tiene seis grados

de libertad, tres traslaciones y tres rotaciones. Los grados de libertad de traslación

y rotación son movimientos y rotaciones en los ejes globales X, Y y Z.

Parámetros de mallado

La malla que se genera depende de los siguientes factores:

Geometría creada para el mallado

Opciones activas de mallado.

Especificaciones de control de malla

Opciones de conexión para contacto

Tamaño y tolerancia de elementos globales

A continuación se describirá un poco más acerca de estos parámetros.

Opciones activas de mallado

Las opciones de mallado son factores esenciales en la determinación de la calidad

de la malla y, por lo tanto, de los resultados. Dentro de las opciones que pueden ser

configuradas, para obtener un diferente mallado son:

Calidad de Malla

Se puede establecer la calidad de malla en borrador o alta. Una malla con calidad

de borrador no tiene nodos centrales y puede utilizarse para una evaluación rápida

y, en modelos sólidos, cuando los efectos de la flexión son pequeños, en cambio la

malla de alta calidad se recomienda en la mayoría de los casos, especialmente para

modelos con geometría curva.


115

Se emplean los puntos jacobianos cuando la calidad de malla está establecido en

alta, para establecer el número de puntos que se utilizarán, para comprobar el nivel

de distorsión de los elementos tetraédricos de nivel superior.

Tipo de mallador

Esta opción, establece la técnica de mallado que se prefiere usar:

Malla estándar. Activa el esquema de mallado de Delaunay-Voroni para

efectuar operaciones de mallado subsiguientes. Este mallador es más rápido

que el mallador basado en curvatura.

Malla basada en curvatura. Activa el esquema de mallado basado en

curvatura para efectuar operaciones de mallado subsiguientes. El mallador

crea más elementos en zonas de mayor curvatura automáticamente (sin

necesidad de controlar la malla), en el caso de ensamblajes, el mallador

requiere configurar la opción de unión rígida global en incompatible.

Opciones de mallador (para el mallador estándar)

Establece opciones para el mallador estándar:

Transición automática. Aplica controles de malla automáticamente a

operaciones, detalles, taladros y redondeos pequeños y otros detalles finos

del modelo. Es recomendable desactivar esta opción para el caso de mallar

modelos grandes con muchas operaciones y detalles pequeños para evitar

la generación innecesaria de un número muy grande de elementos.

Pruebas automáticas para sólidos. Solicita al programa que vuelva a intentar

el mallado del modelo automáticamente, utilizando un tamaño de elemento

global distinto, si este es el caso se debe controlar el número máximo de

intentos permitidos y los factores mediante los cuales se ajustarán las

escalas del elemento global, así como la tolerancia del elemento global en

cada una de las prueba.

Regenerar la malla de piezas falladas con malla incompatible. En este caso

el software intenta usar el mallado incompatible para sólidos de unión rígida

donde el mallado compatible ha fallado (solo para malla sólida).

ANEXO 2. SOLIDWORKS

116

11

6

11

6

Parámetros de control de malla

El control de malla se refiere a la especificación de distintos tamaños de elementos

en diferentes regiones del modelo. Cuando el tamaño de los elementos de una

región es más pequeño, se obtiene una mayor precisión en los resultados de dicha

región, se puede especificar el control de malla en vértices, puntos, aristas, caras y

componentes; esta opción no está disponible para vigas.

Los parámetros de control de malla son:

Tamaño de elemento (e) para las entidades especificadas.

Cociente de crecimiento de elemento (r).

Análisis de contacto

La configuración de contacto define la interacción entre contornos de piezas que se

encuentran en contacto desde un principio o que entran en contacto durante la

carga, esta función está disponible en documentos de ensamblaje y sólidos

multicuerpo. El contacto está disponible para estudios estáticos, de frecuencia, de

pandeo, térmicos, no lineales, dinámicos y de caída.


117

ANEXO 3

VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012

INVESTIGACIÓN OCEANOGRÁFICA MEDIANTE UN UAV

Vázquez Flores José Félix*, Tiburcio Fernández Roque°, Hernández Toral Jorge Luis°°

*Sección de Posgrado e Investigación, ESIME U.P. TICOMAN-IPN, México D.F., [email protected]

° Sección de Posgrado e Investigación, ESIME U.P. TICOMAN-IPN, México D.F., [email protected]

°° ESIME U.P. TICOMAN-IPN, México D.F., [email protected]

RESUMEN

En este trabajo se presentan los avances del proyecto UAV (avión no tripulado) Tonatiuh, el cual tiene como

objetivo brindar apoyo en la investigación oceanográfica de México, reduciendo los costos y el tiempo que con

llevan los muestreos de esa investigación, ya que hasta la fecha en el país no existe algún UAV para este uso

en específico.

PALABRAS CLAVE: Avión no tripulado, investigación oceanográfica, Tonatiuh.

ÁREA TEMÁTICA PRINCIPAL: 07 ESTRUCTURA

http://mail.ipn.mx/Session/276870-TdyUIY92ch5TVvMcTvPj-aoddozt/Message.wssp?Mailbox=Contactos&MSG=3

ANEXO 3. INVESTIGACIÓN OCEANOGRÁFICA MEDIANTE UN UAV

118

11

8

11

8

INTRODUCCIÓN

La investigación oceanográfica hoy en día requiere de contar con los diferentes recursos, tales como material

apropiado para la toma de muestras, contar con el equipo adecuado, los diversos medios de transporte y personal

capacitado para realizar estos trabajos, todo esto requiere de una gran inversión, tanto de tiempo como de

recursos económicos; así, a través de la utilización de un UAV, tanto el tiempo como los recursos que se

requieren pueden reducirse.

A la fecha en México solo existen dos empresas dedicadas al diseño y construcción de UAV, Hydra

Technologies y Aerovantech, sin embargo se enfocan solamente a la vigilancia.

METODOLOGÍA

En primer término se analizó que tipo de aeronave se requeriría como base para realizar el diseño, de tal manera

que se pudiera demostrar la utilidad que un UAV puede tener en apoyo a las investigaciones realizadas por

expertos especializados en actividades oceanográficas.

Es por ello que se retomo el proyecto del UAV Tonatiuh del Dr. Vázquez Flores del Instituto Politécnico

Nacional, ya que dicha aeronave contaba con las siguientes condiciones, útiles para el propósito del UAV.

Avión de ala alta.

Estable.

Vuela a baja velocidad.

Espacio amplio en el fuselaje.

Tabla I.- Características del UAV Tonatiuh

Envergadura 1.66 m

Superficie Alar 0.42 m2

Longitud 1.13 m

Perfil NACA 23012

Tren de aterrizaje Patín de cola

Motor 0.60 Os Max

Peso 3 kg

Se realizó un cálculo[1] por medio de un paquete de MEF (elementos finitos), en el cual se aplicaron

restricciones en la raíz del ala y en los montantes sobre el ala, viga delantera y trasera, restringiendo los

desplazamientos en los ejes x, y,z. Por otro lado se aplicarón cargas simulando la fuerza de levantamiento como

se muestra en la figura1. Cabe mencionar que las cargas se obtuvieron de manera experimental.

Figura 1. Restricciones y cargas en el ala.


119

Se realizaron varios cálculos con diferente malleado, con el objeto de buscar cual era el más adecuado, una vez

encontrado el malleado óptimo se realizó nuevamente el cálculo y se determinó que la mayor concentración de

esfuerzos, se localiza donde se une el montante con la viga y la costilla (Figura 2).

Figura 2. Concentración de esfuerzos en el ala.

Además se realizó un análisis modal del ala del avión Tonatiuh y con ello se obtuvieron las frecuencias

naturales, la frecuencia más baja que se encontró fue de 3.3 Hz.(Figura 3).

Figura 3. Primer modo de frecuencia.

En lo que corresponde a nuestro proyecto se modeló el UAV Tonatiuh (figura 4 y 5), que es un modelo más

pequeño y de un material diferente, en donde lo importante es el número de Reynolds con el que va a trabajar.

En su mayor parte está hecho de madera balsa, triplay de pino y algunas partes de aluminio como lo es el tren

de aterrizaje y el motor.

Figura 4. Modelo del ala del UAV Tonatiuh.


120

12

0

12

0

Figura 5. Modelo del fuselaje del UAV Tonatiuh.

A la par de esto se esta realizando los coeficientes de levantamiento y arrastre del UAV(Figura 6).

Figura 6. Coeficiente de levantamiento del perfil y del ala.

En conjunto con los cálculos, se está llevando a cabo la construcción del UAV Tonatiuh, como se muestra en

la figura 7, a base de los materiales antes mencionados, el avance en la construcción es casi del cien porciento.

Figura 7. Construcción del UAV y UAV Tonatiuh

Actualmente se está trabajando en el diseño del soporte de una cámara y su fijación al fuselaje con el objeto de

tomar video, además de tener la posibilidad de utilizar una cámara multiespectral, la cual permitirá dar una

aproximación más real del apoyo que puede realizar un UAV a la investigación oceanográfica.


121

RESULTADOS

Los análisis mostrados se aproximan a los que se obtendrán con el UAV Tonatiuh, ya que este es una replica a

escala del avión original, además de esto el alargamiento del ala real es de 6.5, el cual es un resultado idéntico

al alargamiento del ala en el UAV Tonatiuh.

El coeficiente de levantamiento nos puede ayudar para conocer el comportamiento aerodinámico de la aeronave,

dicho coeficiente del ala es corregido del coeficiente del perfil por medio del factor de Oswald y el alargamiento.

DISCUSIÓN

La metodología desarrollada durante el proyecto fue la de evaluar el estado del Tonatiuh, en el cual pasó de

ser una

maqueta dinámica al actual UAV. Algunas de las piezas estaban construidas y dentro de ellas algunas

dañadas, por lo

que hubo que repararlas, además se trabajaron todas las partes con un paquete de computadora que nos

permitió el

modelado, los dibujos, el diseño y el cálculo estructural. De lo anterior se pasó a la fabricación de las partes

faltantes

y el ensamblado. Finalmente pasamos a las pruebas de vuelo en donde al UAV hubo que hacerle ajustes,

especialmente en la bancada del motor y aminorar el contrapeso, logrando una mayor estabilidad en el vuelo

del

UAV.

Los cálculos realizados por Rizieri [1], no son comparables con los del UAV Tonatiuh debido al número de

Reynolds es diferente, es decir el levantamiento que nos produce el Tonatiuh es mucho más grande que el

levantamiento en el UAV, así como la superficie alar y la resistencia al avance de ambos modelos también

son

diferentes, por lo que hubo que realizar los cálculos para el UAV en el caso de las cargas aerodinámicas y si

mencionamos la parte estructural, como ya se mencionó tenemos también materiales diferentes.

El comportamiento del UAV en vuelo consideramos que fue adecuado, sin embargo se presentó un campaneo

que

nos lleva a dos cosas; la primera puede ser que sea debido a la sensibilidad del control y la segunda a la

estabilidad

debida al diedro del avión.

La realización del proyecto ha sido muy enriquecedora para los participantes tanto en la parte de diseño,

manufactura

y pruebas. Como ya se mencionó el UAV Tonatiuh está volando y se está trabajando en la instalación de una

cámara

para toma de video y mostrar las bondades del UAV Tonatiuh.

CONCLUSIÓN

Observando los primeros resultados del UAV Tonatiuh se comprueba, que para el objetivo por el cual se

construyó, es decir, como apoyo a las investigaciones oceanográficas, han sido favorables y esto con lleva hasta

este momento que la elección del Avión Tonatiuh para el diseño de un UAV ha sido el adecuado gracias a las

características que presenta la aeronave Tonatiuh.


122

12

2

12

2

REFERENCIAS

1. M. Rizieri Apango, Análisis Estructural del ala de un avión: Proyecto Tonatiuh, tesis, ESIME U.P.

Ticomán, Instituto Politécnico Nacional, México, 2008.

UNIDADES Y NOMENCLATURA

UAV Unmanned Aerial Vehicle

MEF Método de Elementos Finitos

Hz Hertz (1/s)

α ángulo de ataque (grados)

Cl Coeficiente de levantamiento del perfil (adimensional)

CL Coeficiente de levantamiento del ala (adimensional)


123

ANEXO 4 Análisis Estructural del Fuselaje y Bancada por MEF del

UAV Tonatiuh

José F. Vázquez1, Tiburcio Fernández1, Jorge L. Hernández2

(1) Sección de Posgrado e Investigación. (2) Academia de estructuras, ESIME U.P.

TICOMAN del Instituto Politécnico Nacional, Av. Ticoman 600, col. San José Ticoman,

Del. Gustavo A. Madero, México D.F. ([email protected]) RESUMEN En este trabajo se presenta los avances del análisis estructural del UAV (avión no tripulado) Tonatiuh, el cual tiene como objetivo brindar apoyo en la investigación de campo oceanográfica y específicamente en la toma de video a través de una cámara espectral. Se han utilizado dos software basados en el método de elementos finitos, uno como ayuda para obtener los coeficientes del perfil del ala y el otro para el modelado y análisis de la estructura del fuselaje y bancada de la aeronave antes mencionada. Con la utilización de este tipo de programas y los avances tecnológicos que se han realizado en la actualidad, se pueden realizar cambios instantáneos a la estructura y realizar de manera muy breve un nuevo análisis, de modo que el prototipo final puede diseñarse y optimizarse de un manera más rápida, dando como resultado la reducción de costos y el tiempo que con llevan los diseños de los prototipos. INTRODUCCIÓN El UAV Tonatiuh nace como una herramienta para apoyar el trabajo de campo en la investigación Oceanográfica, sin embargo como ya se mencionó el UAV Tonatiuh es un modelo con 1.66 m de envergadura y 1.13 m de longitud fabricado en materiales como; madera balsa, pino, abeto, aluminio, etc., sin embargo es conveniente realizar un análisis estructural en el UAV Tonatiuh, con el fin de garantizar que la estructura soporte los esfuerzos debidos a las cargas que se generan en las diferentes maniobras de vuelo. La metodología utilizada fue la de obtener los coeficientes de levantamiento y resistencia al avance a través de un paquete de elementos finitos, con el fin de determinar la fuerza de levantamiento y resistencia al avance del avión, cargas que nos permiten determinar los esfuerzos máximos y mínimos con la ayuda de un paquete de Elementos Finitos y finalmente optimizarlo. El análisis estructural se limitó al análisis del fuselaje y bancada del avión, considerando las cargas que se generan en el despegue. Es importante mencionar que los avances en la tecnología de cómputo y el desarrollo de nuevos programas de ingeniería, han puesto a disposición de los ingenieros una gran variedad de herramientas que permiten realizar análisis de manera rápida y eficaz, sin embargo es necesario conocer los diferentes métodos con el fin de garantizar los resultados, que de ser posible deben ser validarlos con algún método experimental. METODOLOGÍA El UAV Tonatiuh es un modelo escala 1:6 del Tonatiuh real, por lo que el número de Reynolds es diferente y por lo tanto es necesario determinar el CD y el CL del perfil, del ala

mailto:[email protected]

ANEXO 4. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL FUSELAJE Y BANCADA POR MEF DEL UAV TONATIUH

124

12

4

12

4

y del avión completo. Estos coeficientes se calcularon con la ayuda de un paquete de “Elementos Finitos”, que a su vez estos permiten encontrar la fuerza de levantamiento y resistencia al avance, así como las cargas críticas en el avión. El siguiente paso fue modelar el fuselaje y la bancada, así como proceder al ensamble y finalmente al análisis estructural. La optimización se realizó de la siguiente forma: Con los resultados obtenidos de la primera corrida, se determinaron las zonas con esfuerzos pequeños y se realizaron aligeramientos, el segundo paso fue ubicar las zonas con grandes esfuerzos y considerar refuerzos para disminuir la magnitud de los esfuerzos, se realizó nuevamente una segunda corrida para verificar la mejora, lo cual se puedo observar en las figuras que se presentan más adelante. OBTENCIÓN DE CARGAS Para determinar las cargas que soporta la aeronave es necesario obtener el peso total de la aeronave, la cual tiene una carga útil de 2.5 kg, un peso en combustible de 0.5 kg y considerando un factor de seguridad de 1.5 (FAR 23, 2011), lo que hace un total de 4.5 kg. Por otro lado sabemos que nuestro UAV realizará un trabajo al nivel del mar. El motor de nuestra aeronave tiene una potencia de 60 HP, por otro lado, de manera experimental se determinó que el UAV Tonatiuh alcanza una velocidad máxima de 22.22 m/s, por lo que con estos datos y la siguiente fórmula, podemos calcular la fuerza soporta la bancada.

𝑃 = 𝐹 ∗ 𝑉 (1)

…resultando de F= 2,013.41 N. OBTENCIÓN DEL CD Y CL Para la obtención de los coeficientes aerodinámicos del perfil (coeficiente de levantamiento CL y coeficiente de arrastre Cd), se utilizó Fluent, programa basado en el método de los elementos finitos. Se generó primeramente la geometría del perfil (NACA 23012), posteriormente se generó una malla en forma de “D invertida” conteniendo en el centro al perfil, con lo anterior se realizaron las diversas corridas para los diversos ángulos de ataque, y obtener las curvas de estos coeficientes (Fluent, 2010).

Fig. 1. Malla alrededor del perfil y acercamiento del perfil


125

Fig. 2. Simulación del perfil a 5 grados de ángulo de ataque

Fig. 3. Presión estática sobre el perfil

Se realizaron 28,000 iteraciones para este análisis, por otro lado se puede observar en la gráfica de la escala residual que la curva logra estabilizarse de manera lineal, además de abarcar más de un tercio de la gráfica, lo que quiere decir que el análisis se realizó de manera correcta.

Fig. 4. Escala residual del estudio con un ángulo de cinco grados.

Una segunda opción para asegurar que el procedimiento era correcto, fue la de hacer una corrida para el mismo perfil con un número de Reynolds diferente, del cual se tienen los resultados, lo anterior se realizó tomando tres puntos críticos, comprobando que los resultados obtenidos por este método numérico y los resultados conocidos (Abbott y Von Doenhoff, 1959) son muy cercanos. Una vez obtenidos esos coeficientes se pueden calcular los coeficientes para el avión completo, utilizando las siguientes relaciones (Raymer 1999):

𝐶𝐿 = 𝑎(𝛼 − 𝛼𝑙=0)

𝐶𝐷 = 𝐶𝑑𝑜+ 𝑘(𝐶𝑙

2) (2)

Con los datos obtenidos se procede a generar las gráficas correspondientes.


126

12

6

12

6

Fig. 5. Grafica del coeficiente de levantamiento y arrastre

Una vez conocidos los coeficientes podemos calcular la fuerza de levantamiento y de resistencia al avance del avión con las ecuaciones (Etkin y Duff Reid, 1996) siguientes:

𝐿 =1

2𝜌𝑉2𝐴𝐶𝐿

𝐷 =1

2𝜌𝑉2𝑆𝐶𝐷

(3)

Resultando una fuerza de 50.17 N, para el levantamiento y 3.85 N para la resistencia al avance. MODELADO DE PIEZAS DEL UAV (CAD) El siguiente paso fue modelar las piezas del avión en un programa de CAD, lo anterior es muy útil ya que nos permite ver nuestro modelo en tres dimensiones y checar que no haya interferencias entre las piezas. Hecho lo anterior se genera la malla, sin embargo es necesario definir el material, así como sus propiedades (Gere, 2006), lo que nos llevó a dividir a nuestro modelo ya que esto genera errores. Las piezas principales son el fuselaje (madera balsa y triplay), la bancada (triplay), el tapa fuego (madera de pino) y los soportes del ala (madera de pino). Finalmente se procedió al ensamble de todas las piezas. ENSAMBLE Es importante considerar las relaciones de posición entre las piezas para un adecuado ensamble y el programa permite realizar una prueba de detección de interferencias, comprobando que ninguna pieza este encimada o haya interferencia entre ellas (SolidWorks, 2013). La estructura final se muestra a continuación.


127

Fig. 6. Ensamble del fuselaje y bancada

ANÁLISIS ESTRUCTURAL Una vez hecho lo anterior se genera la malla, se determinan condiciones de frontera y se aplican las cargas, a continuación se muestra el modelo con la malla.

Fig. 7. Aplicación de cargas y mallado del modelo

Se realiza el análisis y los resultados se muestran en las ilustraciones siguientes:

Fig. 8. Distribución de esfuerzos (izq.) y Deformaciones (der.)

De acuerdo a los resultados anteriores se observa que los esfuerzos de mayor magnitud y deformaciones se encuentran en la bancada.


128

12

8

12

8

Fig. 9. Acercamiento a la parte de mayor tensión

OPTIMIZACIÓN De los resultados previos se observa que la magnitud de los esfuerzos máximos son pequeños comparados con los que resiste el material. Para el caso del UAV Tonatiuh la magnitud de los esfuerzos no es considerable, sin embargo es posible realizar aligeramientos dando como resultado el incremento de la carga útil o la cantidad de combustible, lo que repercute en autonomía. Para el proceso de optimización, se utilizaron dos criterios; primero en las áreas con esfuerzos mínimos se realizaron aligeramientos; segundo en las áreas con concentraciones de esfuerzos grandes se procedió a colocar refuerzos para minimizarlos. Una de las grandes ventajas que tienen los paquetes de cálculo de hoy en día es que nos permiten realizar una simulación y optimización virtual de manera rápida, es decir se realizan los aligeramientos y se realiza nuevamente la corrida, en la cual se obtuvieron los resultados que se muestran a continuación.

Fig. 10. Distribución de esfuerzos y deformaciones en la nueva estructura

Se observa que la modificación de la estructura, no afecta la integridad de esta. RESULTADOS El modelo final alcanzó una reducción en peso de 25 gramos, el cual se muestra a continuación, además de saber por el análisis que la estructura del avión es capaz de soportar las cargas a las que va a ser sometido, además de la disminución de peso que se obtuvo gracias a la optimización.


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Fig. 11. Estructura final

CONCLUSIONES El empleo de la tecnología, así como de programas especializados para el diseño y análisis estructural, ha revolucionado la manera de trabajar de los ingenieros, implica una reducción de tiempo y costo de los prototipos, sin embargo sabemos que es conveniente validar los resultados o la utilización de los métodos experimentales, en el caso de este trabajo el uso de los programas empleados tanto para la obtención de los coeficientes, el modelado, ensamblaje, así como del análisis estructural, son muy prácticos ya que ponen a nuestra disposición una gran variedad de herramientas que facilitan el trabajo, siendo cada día más amigables al usuario. REFERENCIAS Abbott, Ira H., Von Doenhoff, Albert E., Theory of wing sections, Courier Dover Publications, 1959. Etkin, Bernard, Duff Reid, Lloyd, Dynamics of flight, John Wiley & Sons, Inc, 1996. FAA Federal Aviation Regulations, FAR 23, Subpart C- Structure. Gere, James M., Mecánica de materiales, Edit. Thomson, 2006. Raymer, D.P., Aircraft Design, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1999. http://help.solidworks.com/

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