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1 DISEÑO ROBUSTO Universidad Distrital Francisco José de Caldas Diseño del Producto . DISEÑO ROBUSTO IMPLEMENTADO A UN AVIÓN PLANEADOR DISEÑO Y DESARROLLO DEL PRODUCTO JORGE LUIS POVEDA Universidad Distrital Francisco José de Caldas [email protected] JOHAN ADOLFO SUÁREZ Universidad Distrital Francisco José de Caldas [email protected] ANDRÉS FELIPE ROMERO Universidad Distrital Francisco José de Caldas [email protected] RESUMEN El siguiente trabajo tiene como finalidad el análisis del método de Diseño Robusto aplicado a un avión planeador a impulso. Este método consiste en el análisis del comportamiento de un producto cuando al variar alguna de sus configuraciones de diseño (factores de control) se ven afectados por factores que el diseño no puede controlar (Factores de ruido). Esto se hace a través 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. Diseño del avión El objetivo en esta fase consiste en diseñar un avión a escala el cual sea capaz de planear en el aire la mayor cantidad de tiempo posible. Limitaciones de Diseño: 1. Área mínima 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 diseño procedemos a investigar el funcionamiento básico de un Aero planeador para su diseño. El vuelo de las aves y algunos insectos ha sido tema de gran admiración para científicos y diseñadores de dispositivos aerodinámicos en todo al mundo los cuales por muchos años han intentado copiar este diseño para implementarlo a sus máquinas voladoras.

Trabajo Del Avión Diseño Robusto

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Diseño Robusto

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    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

    [email protected]

    JOHAN ADOLFO SUREZ

    Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas

    [email protected]

    ANDRS FELIPE ROMERO

    Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas

    [email protected]

    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.

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    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.

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    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

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    .

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    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

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    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.

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    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

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    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.

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    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.

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    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

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    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.

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    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.

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    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.