Upload
andres-felipe
View
38
Download
1
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Diseño Robusto
Citation preview
1
DISEO ROBUSTO
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas Diseo del Producto .
DISEO ROBUSTO IMPLEMENTADO A UN AVIN PLANEADOR
DISEO Y DESARROLLO DEL PRODUCTO
JORGE LUIS POVEDA
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
JOHAN ADOLFO SUREZ
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
ANDRS FELIPE ROMERO
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
RESUMEN
El siguiente trabajo tiene como finalidad el anlisis
del mtodo de Diseo Robusto aplicado a un avin
planeador a impulso. Este mtodo consiste en el
anlisis del comportamiento de un producto cuando al
variar alguna de sus configuraciones de diseo
(factores de control) se ven afectados por factores que
el diseo no puede controlar (Factores de ruido). Esto
se hace a travs de una matriz donde se prueban
todas las posibles combinaciones y se escoge la que
brinde mayor estabilidad en las pruebas, esto con el
fin de dar confiablidad en el producto sin importar la
influencia de los factores de ruido que puedan
intervenir.
I. Diseo del avin
El objetivo en esta fase consiste en disear un avin a
escala el cual sea capaz de planear en el aire la mayor
cantidad de tiempo posible.
Limitaciones de Diseo:
1. rea mnima de la vista de planta 200
cm^2
2. Debe sustentarse en el aire la mayor
cantidad de tiempo posible
Una vez conocidas las especificaciones los
factores de diseo procedemos a investigar el
funcionamiento bsico de un Aero planeador
para su diseo.
El vuelo de las aves y algunos insectos ha sido
tema de gran admiracin para cientficos y
diseadores de dispositivos aerodinmicos en
todo al mundo los cuales por muchos aos han
intentado copiar este diseo para implementarlo
a sus mquinas voladoras.
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
.
2
Diseo del producto
Figura 1. Estudio de la aerodinmica de una
mariposa.
La distribucin del peso, as como la distancia
entre las alas, el largo del fuselaje y el ngulo de
ataque con que entra el viento en las alas, son
algunos factores importantes que se deben tener
en cuenta al disear un modelo ya que sern
estos los que harn que el prototipo tenga xito
en el aire o no.
En aerodinmica existe una expresin que describe el
ngulo de las alas en funcin del tamao de las
mismas, es el ngulo de ataque alterado concerniente
a la corriente de aire libre localmente desviada y se
conoce como ngulo de ataque aerodinmico.
(Ecuacin 1)
U hace alusin a los catetos de un tringulo equiltero
y alfa el ngulo formado entre el cateto adyacente y
la hipotenusa.
Figura 2. ngulo de ataque aerodinmico Estimacin del peso: Debido a la poca
informacin de construccin de aeromodelos de
este tipo, no hay datos estadsticos de donde
aferrarnos para establecer el peso que debera tener
el prototipo.
Lo que si podemos tener como referencia es que
debe ser lo ms liviano posible de manera que
pueda tener la mayor sustentacin en el aire.
Diseo preliminar del ala: Para el diseo
preliminar del ala se deben tener en cuenta todos
los parmetros que influyen de manera que se
garantice el mayor rendimiento aerodinmico
Como se dijo anteriormente muchos de los diseos
existentes se sustentan en el diseo aerodinmico
de un insecto o un ave, es por esta razn que se
consultaron algunos de los parmetros de
distribucin de alas, empenaje, fuselaje y
envergadura de distintas aves para orientarnos
hacia el diseo de nuestro modelo.
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
.
3
Diseo del producto
Figura 3. Forma de alas para sustentacin
Figura 4. Envergadura del ala.
Figura 5. Elementos constitutivos del ala.
Figura 6. Empenaje
Podemos apreciar en la tabla 1 la proporcin de
parmetros en las alas de algunas aves y el
promedio general de los factores ms significativos
en este caso la distancia transversal del ala as
como la envergadura del conjunto alar.
.Tabla 1. Promedio de parmetros para diferentes
pjaros.
Esto sirve como modelo para entender la
distribucin de los parmetros de proporcin de
alas en las aves para el diseo de un prototipo que
desee mantener sustentacin en el aire.
Sin embargo los factores de envergadura y rea alar
se deben siempre asumir directamente del modelo,
lo que quiere decir que se deben hacer varios
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
.
4
Diseo del producto
modelos o ayudarse de algn tipo de simulador
para variar las condiciones de construccin.
Figura 7. Software AAA para la configuracin
de parmetros de diseo
Bon esto se intent hacer un breve
descripcin a grandes rasgos de los
parmetros bsicos para la construir de un
avin a escala. Sin embargo, se puede
evidenciar que esto es un proceso de diseo
de aeromodelismo por lo que se debe tener los
conceptos bsicos sobre aerodinmica y
sustentacin, solidario con al menos un
software de simulacin para de esta manera
realizar un modelo que sea funcional.
Por esta razn decidimos no partir de un
diseo de prueba y error ya esto requiere de
mucho tiempo generando prototipos y dinero
en materiales para las pruebas del aeroplano,
como el tiempo estimado para la entrega del
avin es corto y lo que se intenta evaluar no
es el diseo de un avin sino la aplicacin de
la metodologa de Diseo Robusto decidimos
optar por el proceso de Ingeniera a la
Inversa.
DISEO POR INGENIERA A LA
INVERSA: Consiste bsicamente en desarrollar
un producto a partir de uno existente funcional.
En el centro recreativo de Maloka hallamos un
modelo de un avin acrobtico hecho de papel
con un alcance estimado de 6 m que elegimos
para replicar para nuestro planeador.
MATERIALES:
- Lminas de Balso de 2 mm de espesor.
- Lminas de cartn cartulina de 2 mm
- Tijeras y bistur
- Regla
- Pegante super bonder
- Plantillas
- Lija
Figura 7. Modelo de avin para construccin
Maloka
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
.
5
Diseo del producto
PASOS PARA LA CONSTRUCCIN DEL
AEROPLANO
1. Tomamos la medida de todas las
dimensiones, as como los ngulos de las
alas del avin y redondeos.
Figura 8. Dimensiones del avin gua
2. Se realiz un modelo en Solidworks con
las medidas del modelo gua.
Figura 9. Modelado del Fuselaje en Solid -
Works
Figura 10. Diseo de las alas en Solid- Works
3. Con la ayuda del programa pudimos darle
escala al modelo que necesitbamos para
cumplir con los factores de diseo.
Figura 11. Escala 1.5 : 1 del fuselaje
Figura 12. Escala 1.5: 1 de las alas
4. Se imprimi plantillas con la escala deseada
y se pas a la fase de construccin en fsico
del modelo.
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
.
6
Diseo del producto
Figura 13. Bordeado de la silueta y recorte de las
partes.
Figura 12. Avin terminado.
FACTORES DE CONTROL DEL DISEO
CONTRAPESO: Peso adicional que se le
pone al avin para para otorgar mayor
estabilidad.
1. A1 = Dos monedas de 50 pesos de las
nuevas con un peso total de 4 g (2g/cu)
2. A2= Dos monedas de 100 Pesos de las
nuevas con un peso de total de 6,68 gr 3,34/
cu)
3. A3 = Dos monedas de 100 pesos de las
nuevas con un peso de 10, 62 g (5,31 g /cu)
Figura 13. Configuracin del contrapeso
INCLINACIN DE LOS
ACELERADORES: Unos pequeos
alerones situados cada uno en cada ala,
escualizables que permiten dar tres
posiciones Arriba, Neutro y hacia abajo.
4. B1 = Aceleradores hacia arriba
5. B2 = Aceleradores en posicin neutra
6. B3 = Aceleradores hacia abajo
Figura 14. Posicin B1
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
.
7
Diseo del producto
Figura 15. Posicin B2
Figura 16. Posicin B3
POSICIN DEL CENTRO DE GRAVEDAD:
Ubicacin del contrapeso a lo largo del fuselaje
del aeroplano.
7. C1 = Peso en la punta del avin
8. C2 = Peso a 1/3 de la punta.
9. C3 = Peso a 2/3 de la punta
Figura 17. Configuraciones del punto de aplicacin del
contra peso.
FACTORES DE RUIDO
1. El Viento: La direccin del viento desempea
un papel importante en las pruebas ya que este
puede tanto desviar la trayectoria del avin
haciendo que se desestabilice y caiga ms
rpido como puede que lo est impulsando
hacindolo planear ms tiempo.
2. Fuerza del lanzador: Un factor que no hace
parte del diseo del aeroplano pero afecta su
tiempo de planeacin es la fuerza con que sea
lanzado por el tirador.
3. ngulo de despegue: Otro factor a considerar
es que con el aumento progresivo del tiempo
el tirador se cansa y pierde pulso de
lanzamiento lo que desencadena en que este
lance el avin ligeramente hacia abajo o muy
arriba lo que afecta el desempeo del modelo.
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
.
8
Diseo del producto
Lanzamientos.
1. El ejercicio consista en lanzar el avin
cinco veces con una combinacin
especificada y tomar el tiempo de vuelo,
repitiendo este proceso para cada
combinacin.
Figura 18. Prueba de combinaciones.
El resultado del tiempo de vuelo en funcin del
nmero de lanzamientos y la combinacin
seleccionada se registran en la tabla 2.
Tabla 2. Registro del tiempo de vuelo para cada
lanzamiento.
Tabla 3. Configuraciones con mayor varianza y seal
de ruido,
La varianza mide el nivel de dispersin entre los datos
registrados en cada intento y para cada configuracin
(Vase la tabla 2), se calcula a travs de la desviacin
estndar elevado al cuadrado. Para este caso el que
mayor dispersin o varianza present fue la
combinacin A3 B1 C1.
La seal de ruido est directamente relacionada con
los factores externos al diseo que no se pueden
controlar, se determina el tipo de combinacin que
ms se afecta por estos agentes externos por medio de
una ecuacin logartmica base diez en donde se hace
la razn entre el tiempo promedio al cuadrado sobre la
varianza y el resultado se lee en decibeles. De all
pudimos constatar que la combinacin A1 B2 C2
presente la mayor cantidad de seal de ruido.
(Ecuacin 2)
La tabla 3 evala que parmetros de control dan
mayor tiempo de vuelo, se toma el tiempo promedio
de cada combinacin y se divide entre el nmero de
combinaciones.
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
.
9
Diseo del producto
Tabla 4. Calculo de la media de los parmetros que
dan mayor tiempo de vuelo
Para este caso las combinaciones que dan mayor
tiempo son la A1-B1-C1, A2-B1-C1 y A3-B1-C1
con un valor promedio de 1.5
Tabla 5. Media de parmetros que dan mayor
tiempo de sustentacin
Podemos saber qu tipo de arreglos nos dan la
mayor solidez en el diseo y se determina tomando
la varianza de cada posible combinacin y
dividindola entre el nmero de combinaciones
para calcular la media de la varianza.
Tabla 6. Tabla de los parmetros que dan ms solidez
al diseo.
Para este caso la asociacin de parmetros que dieron
la mayor solidez fueron A1-B1-C1, A2-B1-C y A3-
B1-C1 como se ve en la tabla 7 con un valor
promedio de 0,3
Tabla 7. Media de la varianza.
As mismo como en los casos podemos encontrar los
factores que dan mayor seal de ruido en este caso eso
no es lo que deseamos, por el contrario necesitamos
hallar el que menor ruido tenga para as mantener las
variables externas bajo un rango de control
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
.
10
Diseo del producto
Tabla 8. Promedio de la seal de ruido
Para este caso la combinacin de parmetros que
dan menor son A2-B1-C1, A2-B2-C2, y A3-B3-C3
Con 7,1
Tabla 9. Combinaciones que presenten menor ruido
De los datos anteriores se pueden construir graficas
que muestren las configuraciones que den mejor
rendimiento de construccin, veamos la grfica 1.
Grfica 1. Parmetros que dan mayor rendimiento.
La anterior grfica nos est indicando que los
parmetros que mejor resultados dan son A3 para el
peso, un notable B1 para la posicin de los alerones y
el C3 para el centro de gravedad del contra peso.
As como en la grfica 1 podemos mirar que factores
nos den menor dispersin entre los datos y este ser el
que nos d mayor estabilidad en los resultados futuros
es por esta razn que miramos cuales configuraciones
nos dan menor varianza
Grafica 2. Varianza en el modelo
Para este caso la combinacin recomendada seria A1,
B3 y C2.
La grfica que veremos a continuacin es de gran
relevancia ya que ser esta la que nos diga que
parmetros de control podemos configurar para tener
el menor ruido posible en el diseo.
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
.
11
Diseo del producto
Grfica 3. Seal de ruido.
En este caso los factores de control que presentan
menor ruido son A2, B3 y C3.
CONCLUSIN
Analizando las tres grficas anteriores optamos por
inclinarnos por la que menor ruido tenga que ser
lo que ms nos importe en el diseo al igual que la
varianza es por eso que la configuracin definitiva
para el modelo ser A2 para el contrapeso es decir
el peso que se le adicionara al avin ser de 6,62 g
con el acelerador en hacia abajo B3 y el centro de
gravedad por ingeniera no debera ir atrs porque
eso descompensara el avin as que respetando las
grficas y los conceptos ingenieriles nos vamos por
la configuracin C2 para el centro de gravedad.
1. Qu puede decir acerca de los efectos de
los diferentes factores en el tiempo de
vuelo?
- Despus de hacer una investigacin
sobre el tema de diseo de aeroplanos y
aerodinmica a grandes rasgos pudimos
evidenciar que realmente como
investigamos el centro de gravedad es de
gran importancia, as como el peso que
debe soportar el avin para ayudar a
sustentarlo en el aire, tambin que la
posicin de los aceleradores en las alas
juega un papel importante aunque al
principio pareciera que no era muy
importante.
2. Qu niveles de cada factor sera utilizado
para maximizar el tiempo de vuelo?
- Sera la combinacin de factores A2 B3 y
C2.
3. Por qu hay disyuntivas entre el
rendimiento y la varianza?
- Una mide el grado de dispersin de los
datos obtenidos en cada prueba mientras
que el otro va ms enfocado hacia como
todos los factores enlazados entre si
trabajan para lograr el fin.
4. Qu puede decir acerca de los efectos de
los diferentes factores de variacin en el
tiempo de vuelo?
- Permiten acortar o reducir el tiempo de
sustentacin dependiendo de la
configuracin planteada.
5. Qu niveles de cada factor serian
utilizados para minimizar la variacin en el
tiempo de vuelo?
- La configuracin buscada sera A1, B3 Y
C2 presente menor varianza en las pruebas.
Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas
.
12
Diseo del producto
6. Qu tipo de ruidos se consideraron en el
experimento?
El Viento: La direccin del viento
desempea un papel importante en las
pruebas ya que este puede tanto desviar la
trayectoria del avin haciendo que se
desestabilice y caiga ms rpido como
puede que lo est impulsando hacindolo
planear ms tiempo.
Fuerza del lanzador: Un factor que no
hace parte del diseo del aeroplano pero
afecta su tiempo de planeacin es la fuerza
con que sea lanzado por el tirador.
ngulo de despegue: Otro factor a
considerar es que con el aumento
progresivo del tiempo el tirador se cansa y
pierde pulso de lanzamiento lo que
desencadena en que este lance el avin
ligeramente hacia abajo o muy arriba lo que
afecta el desempeo del modelo.
7. Si deseramos medir tiempo mximo de
vuelo que tendramos que hacer con el
ensayo?
- Primero que todo a ver hecho este
proceso para optimizar el diseo y de esa
manera obtener los mejores resultados.