UN EJEMPLO DE DISEÑO PARAMÉTRICO: MODELADO DE UN

UN EJEMPLO DE DISEÑO PARAMÉTRICO: MODELADO DE UN
XVI CONGRESO INTERNACIONAL
DE INGENIERÍA GRÁFICA
UN EJEMPLO DE DISEÑO PARAMÉTRICO: MODELADO DE UN
DISPOSITIVO MECÁNICO APLICABLE EN ENSAYOS DE
MICRO–GRAVEDAD
CAPPELLARI, Fernando (1); STAFFOLANI, Pedro (2); LIFSCHITZ, Luís (3); BRITO,
Hector (4)
(1)
Universidad de Nacional de Río Cuarto, Argentina
Facultad de Ingeniería, Departamento de Mecánica
Correo electrónico: fcappellari@ing.unrc.edu.ar
(2)
Universidad de Nacional de Río Cuarto, Argentina
Facultad de Ingeniería, Departamento de Mecánica
Correo electrónico: pstaffolani@ing.unrc.edu.ar
(3)
Universidad de Nacional de Río Cuarto, Argentina
Facultad de Ingeniería, Departamento de Mecánica
Correo electrónico: llifschitz@ing.unrc.edu.ar
(4)
Universidad de Nacional de Río Cuarto, Argentina
Facultad de Ingeniería, Departamento de Mecánica
Correo electrónico: hbrito@ing.unrc.edu.ar
RESUMEN
En el presente trabajo se expone una metodología para realizar el modelado paramétrico de un
dispositivo de sujeción–liberación aplicable a elementos a ensayar en ambiente de micro–
gravedad, a través de vuelos atmosféricos con trayectoria parabólica donde se simula dicha
condición.
En primer lugar se deberá realizar un Pre–Diseño para establecer las restricciones geométricas
y la definición de las variables independientes y dependientes correspondientes. Estas
relaciones partirán de un modelo 2D a otro en 3D.
Este modelo virtual podrá ser visualizado en forma inmediata cada vez que se ajuste el modelo
físico–matemático asociado, hasta lograr una conformidad con las especificaciones de
funcionamiento y de diseño definitivos.
Este método permitirá crear un sistema versátil de diseño con un sistema de análisis por
elementos finitos, desarrollándose un modelo paramétrico 3D.
Cabe acotar que este trabajo se desarrolla dentro del Proyecto de Investigación: Desarrollo de
Dispositivos Mecánicos Aplicables a Ensayos Experimentales Bajo Condiciones de Micro–
Gravedad; enmarcado en el Programa De Investigación: Análisis Conceptual De Propulsores
De Plasma Estacionarios Para Micro–Nanosatélites, que se realiza en nuestra Unidad
Académica, y se encuentra subvencionado por la Secretaria de Ciencia y Técnica de la
Universidad Nacional de Río Cuarto.
Palabras clave: Modelado Paramétrico, Integración CAD/FEA, Dispositivo, Micro–Gravedad.
ABSTRACT
Presently work is exposed a methodology to carry out the modeling one parametric of a device
of applicable subjection-liberation to elements to rehearse in atmosphere of micro-graveness,
through atmospheric flights with parabolic trajectory where this condition is simulated.
In the first place he/she will be carried out a Pre-design to establish the geometric restrictions
and the definition of the independent variables and corresponding clerks. These relationships
will leave of a model 2D to another in 3D.
This virtual model will be able to be visualized in immediate form every time that the associate
physical-mathematical pattern is adjusted, until achieving a conformity with the operation
specifications and of definitive design.
This method will allow to create a versatile system of design with an analysis system for finite
elements, being developed a parametric model 3D.
It is necessary to delimit that this work is developed inside the Project of Investigation:
Development of Applicable Mechanical Devices to Experimental Rehearsals Under Conditions
of Micro-gravity; framed in the Program Of Investigation: Conceptual analysis Of Stationary
Propellers Of Plasm For Micro-Nanosatélites that is carried out in our Academic Unit, and it is
subsidized by the Secretary of Science and Technique of the Universidad Nacional de Río
Cuarto.
Key words: Modeling Parametric, Integration CAD/FEA, Device, Micro-gravity.
1. Introducción
El ingeniero de diseño, afronta continuamente el desafío de estructurar problemas
no estructurados. Robert L. Norton en su libro, “Diseño de Maquinaria” proporciona
los medios para estructurar un problema y conducir a una solución viable.
Consecuentemente un proceso de diseño consta de las siguientes etapas:
•
Identificación de la necesidad.
•
Investigación de fondo.
•
Planteamiento de la meta.
•
Especificaciones de tarea.
•
Ideación e Invención.
•
Análisis.
•
Selección.
•
Diseño detallado.
•
Elaboración de prototipos y pruebas.
•
Producción.
Una vez llegado a la etapa de Análisis, el presente trabajo pretende integrarlo con
las etapas de Selección y Diseño Detallado; sin perder el enfoque definido por el
mencionado autor.
Es de destacar que el diseño forma parte del desarrollo científico y tecnológico
que se está realizando en el área aerospacial de nuestra Unidad Académica.
Aprovechando la característica paramétrica del software Solid Edge sé pretende
realizar el diseño de un dispositivo mecánico de sujeción, que trabajará bajo
condiciones de gravedad muy reducida.
El mecanismo a que se hace referencia, es un dispositivo de montaje, sujeción y
posterior liberación aplicable a elementos a ensayar en condiciones de Micro–
Gravedad.
Estas condiciones de distintos niveles de gravedad se alcanzan, entre otros,
mediante la realización de vuelos atmosféricos con trayectoria parabólica, en aviones
convenientemente adaptados para tal fin.
Uno de los temas que merecen una atención considerable es el contexto
experimental del dispositivo asociado; ya que la liberación se debe realizar bajo pautas
normativas de manera tal de minimizar el efecto del dispositivo citado sobre el
elemento sujetado, en un tiempo de actuación de una fracción de segundo.
Los ensayos experimentales bajo condiciones de Micro–Gravedad tienen una
duración, aproximada, entre 10 y 25 segundos a lo largo del ciclo y una misión típica
consiste de 30 a 40 parábolas.
Particularmente, en los vuelos parabólicos actuales, los ensayos experimentales
son realizados en estructuras de soporte del tipo fijas o contenidas a través de bandas
flexibles.
Debido a las características existentes en los sistemas de sujeción, y teniendo
presente además que las vibraciones producidas por el avión son transmitidas a través
del sistema de soporte al ensayo experimental, ocasionan que en ninguno de los casos
haya una independencia total entre el ensayo experimental y el sistema soporte
disponible en el avión.
Sin embargo cuando el ensayo experimental requiera una total liberación, dentro
del espacio físico disponible, es necesario recurrir a un sistema de soporte y liberación
que minimice las perturbaciones cinemáticas residuales producidas por el ambiente en
que se llevarán a cabo.
Una vez generado el modelo matemático desde el punto de vista cinemático y
dinámico, se elaborarán procedimientos para su implementación computacional, cuyos
resultados serán volcados a una planilla de cálculo donde a posteriori se vincularán al
software de diseño paramétrico.
Esta manera de diseñar permitirá visualizar el modelo en forma inmediata y
básicamente poder analizar las perturbaciones que se presentan durante la actuación
del mecanismo, a los fines de minimizar los efectos provocados por las mismas, tanto
de origen externo como inherentes al mismo.
Con este diseño del modelo paramétrico se pretende mejorar las condiciones de
los ensayos experimentales en condiciones de Micro–Gravedad y principalmente en
los aspectos inherentes a la determinación de la funcionalidad y performance,
particularmente con la cuantificación del efecto propulsivo en sistemas de propulsión
eléctrica aplicables a micro–satélites y nano–satélites.
Cabe acotar que el impulso que alcanzan estos propulsores son muy pequeños, y
para poder realizar los ensayos experimentales pertinentes para un normal
funcionamiento, es necesario hacerlos en ambientes cuasi reales ya que los parámetros
de medición del ensayo “en Tierra” pueden ser no detectados, o que los errores sean
del orden de las variables de estudio.
Por tal motivo se requiere que el ensayo experimental se realice lo más próximo a
las condiciones de funcionamiento de vuelo del propulsor de un micro–satélites y/o
nano–satélite. A saber, esto se logra en órbita terrestre (International Space Station) o
en vuelos atmosféricos con trayectoria parabólica, siendo éstos menos onerosos.
Cobra particular relevancia contar con el modelo virtual del dispositivo y todo el
sistema de control del modelo físico–matemático, para realizar las simulaciones que
lleven a minimizar los trabajos en la construcción futura del prototipo.
2. Objetivos
Objetivo General
Diseñar un Dispositivo Mecánico para un montaje de sujeción y liberación
controlada, aplicada en ensayos experimentales de motores de propulsión eléctrica en
ambientes de Micro–Gravedad.
Objetivos Particulares
Pre–diseño paramétrico del Dispositivo Mecánico.
Integración del cálculo estructural y cinemático con el diseño paramétrico.
3. Componentes Generales
Para conocer mejor el funcionamiento del dispositivo y ver con claridad cómo es
su mecanismo, es necesario visualizar en perspectiva isométrica explotada a los
componentes constitutivos del sistema de sujeción y liberación controlada.
Los componentes generales del dispositivo de sujeción y liberación controlada se
muestran en la Fig. N° 1, donde:
[1] Motor paso a paso,
[2] Soporte de componentes,
[3] Leva,
[4] Pinza móvil,
[5] Arandela de cierre de la junta,
[6] Pinza fija,
[7] Resorte de conexión de las pinzas,
[8] Eje de la junta y
[9] Bulones de fijación del motor.
Figura N°1. Componentes Generales del Dispositivo de Sujeción y Liberación
Controlada.
El motor paso a paso [1] actuará en forma solidaria sobre la leva [3], que a su vez
entrará en contacto con el seguidor rotacional o pinza móvil [5], donde permitirá rotar
sobre el eje de la junta [8], en el que es bloqueado por una arandela de cierre de junta
[5].
La pinza fija [6] se vincula a través de un resorte de conexión [7] con la pinza
móvil [4], permitiéndose, una sujeción y liberación controlada a través de la leva [3] y
del motor paso a paso [1], del elemento a ensayar desde la parte inferior de las
mismas.
En el soporte fijo [2] se anclará el motor paso a paso [1] con bulones de fijación
[9]. Las dos pinzas son montadas al soporte fijo [2], por intermedio de una junta
rotacional.
4. Método Operacional
El procedimiento para llevar a cabo esta tarea de Diseño Integrado, consta de las
siguientes etapas:
•
Diseño general del dispositivo de sujeción y liberación a través de un modelo
paramétrico, definiéndose en forma cualitativa sus dimensiones y
restricciones.
•
Cálculo cinemático y verificación estructural de los elementos constitutivos.
Esto se logra con cualquier software de cálculo, pero el resultado tiene que ser
introducido en una planilla de cálculo.
•
Modificación de las variables del Diseño con los nuevos valores obtenidos en
el Cálculo, para luego encontrar la integración deseada entre los softwares de
diseño y la hoja de cálculo.
5. Metodología
Ingreso de los Datos del Problema
El modelo de diseño integrado que se mostrará, a modo de ejemplo,
corresponderá específicamente a la pinza fija.
Esto mismo criterio de diseño integrado se aplicará en forma directa a:
•
La pinza móvil.
•
La leva.
•
El resorte de conexión de las pinzas.
•
El soporte de componente.
•
Accesorios generales.
•
Conjunto armado del dispositivo.
Las variables correspondientes a esta parte constitutiva del dispositivo se
muestran en la tabla 1.
Tabla 1: Variables paramétricas de la pinza fija.
Variable
Denominación
Unidad
Agujero_1
Diámetro interior junta.
Mm
Agujero_2
Diámetro sujeción del resorte
Mm
Extrude_1
Espesor de la pinza.
Mm
Extrude_2
Espesor de la junta
Mm
Extrude_3
Espesor ranura de la junta
Mm
V728
Lado vertical.
Mm
V731
Ángulo del lado inclinado.
Grados
V734
Espesor lado inclinado
Mm
V735
Espesor lado vertical.
Mm
V736
Espesor inferior
Mm
V740
Pestaña de contacto
Mm
V881
Lado inclinado
Mm
V1285
Radio exterior junta.
Mm
V2096
Ángulo de la ranura.
Grados
V2104
Altura de la ranura
Mm
Cabe acotar que la vinculación solo se realiza entre los softwares de diseño y la
hoja o planilla de cálculo.
El ingreso de los valores correspondientes a los datos del problema podrán ser
introducidos desde una planilla de cálculo, tal como se muestra en la Fig. N° 2.
Figura N° 2. Ingresos de los Datos.
Confección del Modelo
Una vez realizado el modelo paramétrico de la pinza fija en el programa Solid
Edge, se activa desde el menú principal la opción de Herramientas, y a través de la
alternativa de Variables.
Siguiendo los pasos apropiados que establece el manual de ayuda, nos permitirá
lograr la vinculación entre los dos software, simplemente copiando la celda especifica
de la hoja de cálculo y pegarlo con vinculo en tabla de Variables tal como se muestra
en la Fig. N° 3
Figura N° 3. Cuadro de dialogo del Solid Edge que vincula con la planilla de cálculo.
El método de representación utilizado, para la confección de los planos de taller y
de conjunto, es el de Proyección en el primer cuadrante o conocido también como
método ISO E, según la Norma Argentina 4501-2*, del IRAM.
El paso siguiente es la modificación de las variables paramétricas del diseño
(variables dependientes), asignándole una correlación con las variables de la planilla
de cálculo (variables independientes), donde las variables dependientes asumen los
valores de las variables independientes generados por la planilla de cálculo.
Cabe acotar que las variables paramétricas del diseño son generadas
automáticamente por el software de diseño, o pueden ser modificadas de acuerdo al
criterio del diseñador. En este caso, del ejemplo, se respetaron las variables generadas
por Solid Edge.
El modelo de la pinza con sus respectivas variables definidas oportunamente, se
muestra en la Fig. N° 4.
Figura N° 4. Variables Paramétricas de la Pinza Fija.
6. Conclusiones
Del uso de esta técnica: diseñar, calcular y representar al dispositivo de sujeción y
liberación en forma integrada, pueden esperarse los resultados siguientes:
El Diseñador realizará sólo una vez el dibujo del dispositivo mecánico y sólo
tendrá que realizar el control de acuerdo al modelo físico–matemático que lo gobierna.
Integración de las etapas de Análisis, Selección y Diseño Detallado, del proceso
de Diseño.
Reducción del tiempo de confección de los Planos de Conjunto, de los planos
individuales y del Modelo Virtual del dispositivo, visto principalmente, desde la
realización de algunas modificaciones de las variables paramétricas presentes del
diseño.
Utilizar dos softwares diferentes para obtener sistemas de modelado paramétricos,
sin la necesidad de llegar a la programación con algún lenguaje de alto nivel.
Una vez realizada la confección de este prototipo, sin lugar a dudas, que la
disminución del costo de realizar los ensayos experimentales en condiciones de
Micro–gravedad bajo vuelos atmosféricos con trayectoria parabólica, respecto a tener
que realizarlos en órbita terrestre, constituye un aspecto de singular importancia.
Agradecimientos
A los integrantes del Laboratorio de Diseño Asistido por Computadora
(LACAD), del Grupo de Mecánica Computacional (GMC), Departamento Mecánica,
Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Río Cuarto y del Instituto
Universitario Aeronáutico, como así también a la Secretaria de Ciencia y Técnica de la
Universidad Nacional de Río Cuarto.
Referencias
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Johnson Space Center, Julio 1999.
NIEMANN, G. Tratado Teórico – Práctico de Elementos de Máquinas. Cálculo,
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BRITO Hector et al. Modelización y Simulación de un Banco de Ensayo Estáticos
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Iberoamericano de Ingeniería Mecánica (CIDIM 99). Santiago, (Chile). I.S.B.N. N°
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LEESTMA, David et al. JSC Reduced Gravity Program User´s Guide. National
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CAPPELLARI, Fernando et al. Una Aplicación del CAD: Integración
Paramétrica del Diseño y el Cálculo en la Confección de Planos de Elementos
Mecánicos. XIII Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica (Ingegraf 2001).
Badajoz, España. I.S.B.N.: 84-699-5057-6
SOLID EDGE V11. Manual del Usuario. 2001. MU28900–SPA.
INSTITUTO RACIONALIZACIÓN ARGENTINO DE MATERIALES.
MANUAL DE NORMAS IRAM de Dibujo Tecnológico. Edición XXIX, 2001.
Buenos Aires.
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