DISEÑO DE CUBIERTA PARA SIMULADOR DE LANCHA DE COMBATE
47
Propuesta de Proyecto de Grado DISEÑO DE CUBIERTA PARA SIMULADOR DE LANCHA DE COMBATE Autor: Manuel Naranjo Morales Asesor: Dr. Carlos Francisco Rodríguez Bogotá Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Mecánica Noviembre 02 2012
Transcript of DISEÑO DE CUBIERTA PARA SIMULADOR DE LANCHA DE COMBATE
Propuesta de Proyecto de Grado
DISEÑO DE CUBIERTA PARA
SIMULADOR DE LANCHA DE COMBATE
Autor:
Manuel Naranjo Morales
Asesor:
Dr. Carlos Francisco Rodríguez
Bogotá
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería Mecánica
Noviembre 02 2012
2
Agradecimiento
El trayecto recorrido deja a la memoria muchos momentos, situaciones y personas que remembrar
y a quienes agradecer por su labor, compañía y entrega. En primer lugar, agradezco
inmensamente al profesor Carlos Francisco por permitirme participar en tan ambicioso proyecto
que desde tiempo atrás ha ido desarrollando la universidad, de igual forma a los miembros del
grupo GIAP quienes prestándome su conocimiento y gestión me colaboraron para la realización
del proyecto.
A mi familia, mis padres quienes me han acompañado apoyado y permitido gozar de esta
oportunidad que hoy en día veo tan cerca a culminar; mis hermanas que con su cariño fraterno de
amor y odio, me han impulsado a seguir adelante con mis metas y propósitos sin olvidar mis
convicciones y deseos. Angélica Jiménez quien con su cariño y amor me impulsó en la realización
de este proyecto, siempre con su alegría y estrictas reprimidas me dio ánimo y felicidad, muchas
gracias. Los amigos y compañeros Daniel Luna, Juan Tellez, Francisco Días con quienes he
compartido alegrías, tristezas y afanes que otorga la vida académica. También colegas como
Santiago, Carrillo, Luis Camilo Londoño, German Niño, José Medina, y Sebastián Mora quienes
como profesionales sé que les depara un futuro próspero lleno de retos y logros. De forma
especial agradezco al cuerpo técnico del laboratorio de manufactura, su colaboración y entrega
han significado mucho en mi proceso de aprendizaje y desarrollo como ingeniero. Por ultimo a mis
amigos, su felicidad y cariño al igual que sus enseñanzas y lo que compartimos me han formado
como la persona que soy hoy en día, a todos ellos infinitas gracias.
3
Contenido 1. Introducción ................................................................................................................................ 4
Motivación ...................................................................................................................................... 4
Objetivos del Proyecto de grado. .................................................................................................... 5
2.1 Objetivo General .................................................................................................................. 5
2.2 Objetivos Específicos. ............................................................................................................ 5
2. Proceso de Diseño. ...................................................................................................................... 5
Definición del problema. ................................................................................................................. 5
Caracterización dimensional del montaje. ...................................................................................... 6
Análisis de cargas sobre el sistema ................................................................................................. 9
Simulación Cargas sobre la cubierta ......................................................................................... 11
Diseño forma general estructura. ................................................................................................. 13
Discriminación de modelos de la estructura ............................................................................. 19
3. Diseño detallado de la estructura. ................................................................................................ 20
Seccionamiento por partes de la estructura. ................................................................................ 20
Ensamble de estructura ................................................................................................................ 25
Ensamble de piezas y acople de uniones .................................................................................. 25
Segmentos de sustento y rigidez estructural ............................................................................ 30
Acople cajones .......................................................................................................................... 33
Validación estructura- Simulaciones ............................................................................................. 34
4. Diseño Cubierta ......................................................................................................................... 36
Diseño preliminar .......................................................................................................................... 36
Seccionamiento y partes. .......................................................................................................... 37
Refinamiento para fabricación ...................................................................................................... 38
Espesor de cubierta ................................................................................................................... 38
Pestañas de borde ..................................................................................................................... 39
Acabados superficial.................................................................................................................. 39
Radios de curvatura................................................................................................................... 40
5. Estructura y cubierta Diseño final. ............................................................................................ 40
6. Sujeción al Robot ....................................................................................................................... 42
Interferencias con el robot. ........................................................................................................... 42
Uniones ......................................................................................................................................... 43
7. Tabla de ilustraciones ................................................................................................................ 45
8. Bibliografía ................................................................................................................................ 47
4
1. Introducción
Motivación
Actividades como el control de un vehículo biarticulado, el manejo de maquinaria pesada o la
manipulación y manejo de una lancha de combate, entre otras, requieren de un entrenamiento
previo y un arduo adiestramiento del operario o soldado. Estas acciones de entrenamiento
implican un gasto de recursos como tiempo y equipo; sin contemplar disposiciones espaciales para
realizar la instrucción (en el caso de la lancha de combate el traslado a la zona de pruebas y el
equipo de práctica).
En los últimos años los simuladores se han convertido en una valiosa herramienta de enseñanza
para este tipo de actividades (milicia, transporte, manejo de maquinaria pesada etc.) esto, debido
a las facilidades que ofrecen al momento de: replicación de instrucciones, disposición espacial
para entrenamiento y ahorro de recursos. Pero a la vez que los simuladores ofrecen una solución
práctica, pueden tener un efecto contra producente en el adiestramiento de los pilotos y soldados
debido a la poca similitud con la situación real. Es por eso que se requiere un simulador capaz de
recrear la situación real lo más fiel posible.
La universidad de los Andes, ha desarrollado el simulador de una lancha de combate empleada por
la milicia. Este proyecto es producto de la investigación y labor de estudiantes, dando como
resultado un puesto de simulación con un arma de una lancha de combate. La evolución de este
proyecto muestra la ambición de desarrollar un simulador altamente funcional, buscando un
mayor realismo en las mejoras del simulador o una mayor capacidad de carga y aguante del
montaje.
El presente proyecto que se encamina en el diseño de un nuevo simulador con mayor capacidad y
mayor número de puestos; empleando como base lo aprendido en la elaboración del primer
simulador de un solo puesto, buscando emular una situación más realista de una zona de
conflicto. El proyecto va dirigido en un avance en el desarrollo del simulador de la lancha de
combate que permita la adecuada instrucción de soldados, y así prepararlos para situaciones de
conflicto.
El simulador les permite a los usuarios enfrentar situaciones extremas, para obtener desarrollar
destreza y habilidades que pueden salvarle la vida, tanto a ellos como a sus compañeros. La
similitud en la emulación del ambiente real permite a los usuarios evaluarse en casos de estrés,
facilitando la y de toma de decisiones en zonas de conflicto.
5
Objetivos del Proyecto de grado.
2.1 Objetivo General
Diseñar básico la cubierta de la lancha de combate de tres puestos, junto con la estructura de
soporte y acople a la plataforma de movimiento empleada en el simulador de conducción de la
lancha de combate desarrollada en de la Universidad de los Andes.
2.2 Objetivos Específicos.
- Analizar y cuantificar las cargas dentro del simulador, además de estudiar las
características dinámicas a las que será sometida las estructura de la cubierta.
- Diseñar una cubierta (lancha) con las disposiciones adecuadas para la implementación de
los puestos de combate y control siguiendo requerimientos del simulador. Además la
cubierta tiene que contar con la capacidad de soportar las cargas a la que será sometida y
los efectos dinámicos productos de la simulación. La estructura como tal no debe generar
sobre esfuerzos sobre los demás componentes del sistema del simulador.
2. Diseño Básico.
Definición del problema.
Previamente a la definición de las acciones a realizar para alcanzar los objetivos planteados, es
necesario establecer cuál y como es un adecuado proceso de diseño en la ingeniera. Este proceso
parte de la definición del problema; en cuyo caso es la necesidad de manufacturar una cubierta y
soporte estructural que alivie las necesidades del simulador sin comprometer sus propiedades
mecánicas y funcionales.
Las ideas preliminares hacer referencia a los avances previos realizados estudiantes e
investigaciones que permita mejorar los resultados del proyecto. Cabe mencionar que una de las
características de proyecto es la pro acción para continuar el desarrollo e investigación y que
permita apoyar otros proyectos. Ligado al concepto de las ideas preliminares se encuentran el
perfeccionamiento, este paso evalúa los posibles recursos provenientes de la investigación previa
que puedan das una solución al problema. Delimita y restringe el problema a las soluciones
factibles y viables.
El análisis es la parte del proceso de diseño que implica el repaso y evaluación del diseño y el
correcto cumplimiento de los requerimientos del diseño; puede considerarse como un filtro de
calidad de las soluciones planteadas por el diseñador con la finalidad de descartar aquellas que no
cumplan con los requerimientos. La decisión es el paso en el que el diseñador acepta el proyecto o
lo descarta, considerando también las posibilidades de mejorar u optimizar las soluciones
planteadas.
6
Por último, la realización es la etapa en la que el diseñador implementa la solución, con la
posibilidad de realizar alteraciones menores dentro de la solución pero sin afectar el concepto
general de la solución; sucedido este caso es necesario que se repita todo el proceso
Caracterización dimensional del montaje.
Las lanchas de combate fluvial empleadas por el ejército nacional son manufacturadas por lotes; lo
cual implica que no hay una estandarización de sus medidas más allá de los requerimientos y
disposiciones espaciales dentro de la cubierta. Para el desarrollo del proyecto es necesario
establecer unas dimensiones y geometría de la cubierta, buscando emular de la mejor forma
posible las dimensiones reales de la lancha y permitir el acople de los sistemas del simulador.
Gracias grupo de investigación en Automatización para la Producción (GIAP) se tuvo acceso a unas
medidas generales de las zonas de operación dentro de la cubierta de lancha de combate
dimensiones genérales de la misma. De igual manera se empleó un modelo computacional de la
lancha piraña desarrollado por el GIAP.
Ilustración 1 Medidas genérales y zonas de operación. (GIAP)
Ilustración 2 Modelo computacional lancha .3d (GIAP)
El modelo fue desarrollado mediante estimación de proporciones con imágenes facilitadas por la
armada, y validación de algunas medidas mediante planos. Cabe mencionar que el modelo se
desarrolló principalmente como una herramienta de visualización más que como un modelo CAD
para uso ingenieril.
7
Mediante un software de conteo de pixeles se puede cuantificar las dimensiones de la lancha
partiendo de proporciones internas en un plano común; es necesario que se realice en análisis
sobre una misma vista para evitar que se cuantifique una dimensión alterada por la perspectiva.
Para la labor del conteo de pixeles se empleó el software libre (IrfranView) que permite medir
diferencias de pixeles entre dos puntos de la imagen, a la vez que se obtiene un posicionamiento
de puntos en plano x-y.
Ilustración 3 Software para conteo de pixeles.
Se realiza el conteo de pixeles de las medidas deseadas generando un perfil de proporciones y con
una de las medidas genérales previamente obtenidas se caracteriza la geometría de la cubierta.
Ilustración 4 Conteo de pixeles y cuantificaciones dimensiones.
Con el fin de validar las dimensiones de comparar las medidas obtenidas por conteo con las otras
medidas generales que se tienen de la lancha.
8
Como se puede ver en comparación con las dimensiones generales la diferencia es de 1cm. Con
esto en mente se puede validar el proceso de conteo de pixeles como válido para caracterizar una
geometría de la cubierta. Una vez cuantificadas las dimensiones en la vista superior se realiza el
mismo proceso con la vista lateral para obtener sus longitudes.
Ilustración 5 Conteo de pixeles y medidas laterales cubierta
Como apoyo al dimensionamiento, se analizó el modelo computacional para discriminar suelo y
componentes internos no apreciable en las imágenes generales. Para ello se empleó el software
Rinhoceros 4.0.
Ilustración 6 Caracterización y cuantificación dimensional de la cubierta
Las medidas obtenidas fueron empleadas para desarrollar un modelo CAD de la cubierta que se
empleara en el simulador.
9
Ilustración 7 Modelo CAD de la cubierta.
Análisis de cargas sobre el sistema
Una vez caracterizada las dimensiones de la cubierta, se dispone a realizar el análisis de cargas y
fuerzas sobre el montaje. En un primer análisis se considera la presencia de todo el personal de las
ametralladoras M60 y sus respectivos simuladores. La presencia de un comandante y la consola
de control.
Ilustración 8 Esquema general cargas sobre la cubierta
Este esquema general parte de la estimación con cargas estáticas. Entendiendo los movimientos
que experimentara el simulador, además de las aceleraciones a las que se someterá se estiman
fuerzas lateras de apoyo y soporte al personal e instrumentación del simulador. Paralelo a esto, es
necesario considerar la disposición espacial del personal y su postura par posicional los
instrumentos y consecuente mente las cargas de los mismos.
10
Ilustración 9 Posición soldado enlancha de combate real.
Para el simulador es necesario considerar la variabilidad de tallas del personal, por ende se acude
emplear un canon de dimensiones corporales para posicionar los instrumentos. La postura del
usurario busca emular la postura que emplearía en una situación de conflicto, con la espalda recta
y las piernas ligeramente extendidas hacia adelante, permitiendo en ocasiones que se emplee el
borde de la lancha como un soporte u punto de apoyo para momentos que se incline la misma.
Ilustración 10 Canon corporal y posicionamiento del usurario.
Con esta como la posición cero en un momento estático dela lancha hace falta modelar
situaciones con inclinación lateral (caso más común presente en el simulador). La inclinación de la
cubierta al momento de la simulación hace que el usuario se apoye y ejerza fuerzas sobre otros
puntos de la cubierta, creando así escenarios críticos diferentes.
11
Ilustración 11 Esquema de variación de magnitud de cargas por inclinación
Como punto de especial cuidado dentro del análisis de cargas dentro del simulador esta la sujeción
y soporte del usuario en el simulador de la ametralladora M60. Este sector de la cubierta la carga
del peso del simulador, las cargas de sujeción del usuario y un momento por el apoyo de sujeción.
Simulación Cargas sobre la cubierta
Establecidas las cargas que experimentara la cubierta, se busca estudiar el efecto de las mismas
sobre la integridad de la cubierta, esto, con la idea de esclarecer que puntos de la cubierta
requiere un mayor soporte, y por ende donde la estructura de soporte requerirá una mayor rigidez
estructural. Empleando el modelo CAD previamente desarrollado para la caracterización
geométrica de la cubierta, se realiza un análisis por elementos finitos mediante una simulación de
cargas estáticas y dinámicas sobre la cubierta. El protocolo de simulación empleado inicia con el
análisis de los soportes de las M60. Como se mencionó en la estimación de las cargas, esta parte
de la cubierta es afectada en especial por una carga distanciada del punto de unión, es decir, un
momento torsor
.
El software empleado para las simulaciones de elementos finitos fue ANSYS 12. Este software
emplea un sistema de mallado alrededor del modelo para delimitar los elementos finitos, una vez
aplicada la carga se cuantifican los esfuerzos, energía y deformación (entre otros factores) que
sufrió el modelo en función del tipo, magnitud y posición de las cargas.
12
Ilustración 12 Simulación cargas soportes M60
La simulación, mediante el patrón de colores, revela los puntos más susceptibles a fallar durante el
servicio del simulador. Son puntos los cuales se podrían considerar como concentradores y en un
principio ser considerados puntos de falla.
Continuando el proceso de simulación de cargas sobre la cubierta, se aplican las cargas del
personal de abordo. Para esta simulación es necesario considerar varios casos; como el estático
bajo inclinación 0° y los subsecuentes a una alteración posicional del simulador que altere el
ángulo de inclinación de la cubierta.
Ilustración 13 Simulación estado crítico inclinación 0°
Estas simulaciones arrojan un nuevo resultado, fácilmente apreciable mediante el patrón de
colores. El punto de mayor afección por las cargas es el cajo o asiento de los usuarios de las M60 y
el soporte del comandante que también soporte una carga considerable. En el estudio a detalle de
la simulación se puede apreciar el comportamiento de los esfuerzos en las aristas del cajón que se
pueden llegar a considerar como concentradores.
Adicionalmente de un análisis estructural, también cabe estimar en que partes y la cubierta sufre
una mayor deformación que afecte su funcionalidad y desempeño dentro del simulador.
13
Ilustración 14 Simulación análisis deformación.
Esta simulación muestra varios aspectos a tomar encueta tanto en el diseño de la estructura de
soporte como de la cubierta como tal. La parte posterior de la cubierta requiere una pestaña,
tanto para posibles uniones de más simuladores, como para dar rigidez y evitar el pandeo de
partes libres. Por otra parte la simulación muestra cómo se afecta la parte posterior de la cubierta
(que en las anteriores simulaciones no había presentado algún comportamiento particular o
remarcable) esto implica que la estructura a diseñar debe considerar partes que soporten la parte
trasera y ayuden a controlar la deformación de la cubierta por cargas.
Diseño forma general estructura.
Para esta parte del proceso se realiza una bocetacion y esbozo de las posibles formas y uniones e
la estructura soporte de la cubierta. La bocetacion se emplea como una forma primaria para
definir la forma y uniones de la estructura diseñada.
Ilustración 15 Estructura perfil redondo, uniones y vista frontal.
Este primer boceto contempla el empleo de perfileria circular para la estructura, esto, debido al
comportamiento de perfiles circulares ante esfuerzos que puede ayudar a disminuir el peso
empleando perfiles de menor espesor. El boceto también ayuda a dar un primer vistazo a las
14
posibles uniones de la estructura; con llevando a que este tipo de estructura requiere de uniones
soldad das y un adecua miento de los tubos (abocardados)
Ilustración 16Estructura perfil cuadrado, vista uniones
El boceto del perfil cuadrado muestra que las uniones no requieren algún tipo de procesamiento
particular, se puede unir por los portes enfrentando caras mas no tiene el mismo
comportamiento ante esfuerzos, como el perfil redondo.
De las simulaciones se encontró que los cajones son segmentos dentro de la lancha que soportan
una carga considerablemente altas. Debido a eso la decisión de separar la estructura general y
realizar una sub estructura para los cajones resulta ser una idea tentadora. Con esto como premisa
se generan los primeros diseños en perfil cuadrado y en perfil circular, con el fin de poder
compararlos para definir una estructura final.
Los siguientes modelos se realizaron para perfiles huecos (tubería) y para perfiles macizos.
Ilustración 17 Estructura perfil redondo
Esta estructura busco ahorrar material, por ende peso, empleando tres barras interconectada por
costillas. Estas costillas presentan un rolado lateral que permite ahorrar material en la terminación
de las esquinas y gracias a la curvatura, redirigir las cargas de una mejor forma.
15
Ilustración 18 vista frontal perfil redondo
Pese al interés en la reducción del material al emplear tubos rolados, debido a la geometría de la
cubierta la curvatura es muy poca, y altamente aproximable a una esquina recta. Considerando las
deformaciones traseras sufridas por la cubierta en las primeras simulaciones, se optó por adicionar
una barra perpendicular a las barras de los bordes la cual las uniera y dieras sustento estructural a
la estructura como tal.
Ilustración 19 Estructura perfil redondo con barra horizontal.
Como aspecto final de la evaluación del diseño, se prosigue con la simulación y con métodos de
elementos finitos se el comportamiento de la estructura ante las cargas.
Ilustración 20 Esquema de aplicación de cargas.
16
La simulación sobre la estructura pendra un protocolo con el fin de poder replicarla sobre los otros
moldeos de la estructura. Se parte con la carga generada por los pesos de los simuladores en los
puntos de apoyo, es decir 4 cargas puntuales verticales hacia abajo en los bordes de la estructura
Ilustración 21Resultados simulaciones
Los resultados de la simulación muestran como hay una concentración de esfuerzos en las uniones
de la estructura, en especial la unión más próxima al punto de incidencia delas cargas (unión
posterior). La idea de la barra horizontal es reducir estos esfuerzos.
Ilustración 22 Esquema simulación de cargas.
Se prosigue con el protocolo de simulación aplicando las cargas en los puntos de unión de los
simuladores. Los resultados muestran como los esfuerzos se redistribuyen sobre la estructura
aminorando las cargas en la unión crítica.
17
Ilustración 23 Resultados simulaciones.
Esta simulación muestra que los esfuerzos en la unión trasera se redujeron, más la unión delantera
aumento un poco. Este comportamiento se debe al equilibrio de cargas dentro de la estructura, y
a falta de otra barra horizontal la unión delantera siente una gran cantidad de carga.
Paralelo al análisis con perfil redondo, se realizó un estudio similar sobre un modelo elaborado con
perfil cuadrado de dimensiones similares.
La estructura con perfil cuadrado se diseñó con un proceso similar al desarrollado con la
estructura de perfil redondo, buscando dar sustento a la parte posterior y rigidez estruictural en la
zona de los cajones, las M60 y el puesto de tripulación.
Ilustración 24 Modelo de perfil cuadrado- Esquema de simulación
El modelo se desarrolló de forma paralela al modelo de perfil redondo, es decir que no se conocía
el efecto que el componente trasero (barrar horizontal de superior) ejerce sobre el resto de la
estructura. Sobre el mismo protocolo de simulación el resultado muestra como l hay una
concentración de esfuerzos en las uniones delanteras del modelo.
18
Ilustración 25 Resultado simulación estructura.
Considerando los resultaos del perfil redondo. Se opta por distribuir las cargas de una forma
diferente, empleando barras inclinadas en la parte posterior de tal forma que se transfieran las
cargas de una forma más adecuada.
Ilustración 26 Modelo de perfil cuadrado refinado- Esquema de simulación y resultados
Como se puede en el resultado de la simulación los bordes inclinados en la parte posterior de la
estructura aminoran las cargas en la estructura general, trasfiriendo estas a la base de la
estructura y de ahí al robot. A continuación se estudió el efecto de la colocación de apoyos en los
soportes de los simuladores de las M60 que también transfirieran las cargas a la base de la
estructura.
19
Ilustración 27 Estructura perfil cuadrado con apoyo diagonal- Simulación y resultados.
La simulación muestra cómo se redujo los esfuerzos en la parte delantera de la estructura al
trasferir las cargas a la base, que presenta un esfuerzo sobre la cara superior.
Discriminación de modelos de la estructura
En este punto ya se han desarrollado diversos modelos de la estructura, la tares siguiente es
seleccionar el modelo más adecuado para emplearlo como referencia de diseño y refinarlo hasta
obtener un diseño definitivo. Entre los parámetros de selección están las inercias de masa
(mesuradas según distribución de masas en las estructuras) rigidez estructural, apreciada desde el
punto de máximo esfuerzo que soporta ante un escenario crítico en su punto de máxima carga.
Como criterio final, y contemplado durante el modelamiento CAD de las estructuras se considera
el factor de facilidad de manufactura de la estructura.
En la tabla se puede ver como las estructuras presentan tanto puntos a favor como en contra. La
inercia de la estructura de perfil redondo (tanto macizo como tubería) es mucho menor que sus
semejantes en perfileria cuadrada. Como era de esperarse la diferencia de masa entre tubería
maciza y hueca descarta por completo el empleo de esta primera.
Respecto al tema de la manufactibilidad de la estructura, el emplear un perfil redondo requiere de
procesos como el abocardado de las uniones, en ocasiones con inclinaciones difíciles de obtener
en la industria. Además de esto también se requiere elementos rolados. En cambio la perfileria
cuadrada presenta uniones más simples y fáciles de realizar en caso de uniones anguladas, de igual
20
forma los esfuerzos que tiene que soportar la configuración de perfil cuadrado son mucho
menores; mejorando así el factor de seguridad de la estructura.
Ilustración 28 Aspecto general modelo base diseño de estructura
3. Diseño detallado de la estructura.
El proceso realizado hasta este punto arroja como resultado un modelo estructural base sobre el
cual trabajar un diseño detallado de la estructura. Este diseño detallado plantea refinar el modelo
hasta el punto de garantizar su fácil fabricación con materiales y elementos del comercio nacional
y a vez obtener algún valor agregado para su adecuado y practico uso en el laboratorio y
simulador.
Seccionamiento por partes de la estructura.
El modelo esbozado de la cubierta y el modelo de la estructura base muestra dimensiones
próximas a los 4.5 m de largo y los 2.2 metros de ancho, además de una altura de 0,5m. Por
experiencia con la anterior cubierta y estructura (de menores dimensiones que esta) se considera
la posibilidad de seccionar la cubierta y la estructura de manera tal se pueda ensamblar en el
laboratorio y se evite el tener que lidiar con un elemento estructural de aproximadamente 10 m2
Para dividir la estructura hay que considerar en cuales puntos es necesario dejar una estructura
sólida enteriza y en cuales partes se puede dejar una unión. Partiendo de las primearas
simulaciones se sabe que los cajones debe tener una estructura independiente, en un primer
diseño se consideraron las siguientes estructuras:
21
Ilustración 29 Modelo Primario de la estructura del cajón.
Este modelo plantea mantener una base altamente estructural con tubería cuadrada de 2 in con
un espesor de ~ 4mm (perfileria empleada en toda la estructura. Catalogo comercial con
especificaciones Anexo) mientras que perfiles en “T” interconectaba las esquinas superiores de la
estructura; tubería en configuración de cercha ayudaban a trasferir las cargas de la parte superior
(donde se apoyaran los usuarios) hasta la base del cajón. Pese a su alta rigidez estructural, este
cajón resulta muy pesado y sobre dimensionado para los requerimientos de uso. Por eso se
simplifico el modelo.
Ilustración 30 Modelo refinado estructura del cajón
Este nuevo modelo elimina los apoyos inclinados dentro de la estructura y cambia los perfile en
“T” por tubería cuadrada, los marcos de la parte angosta están unidos por un ángulo par alivianar
la estructura. Todas las uniones son soldadas, el criterio de esta decisión radican hacer lo posible
por mantener una rigidez estructural el cajón capaz de soportar los usuarios.
22
Ilustración 31 Vista con corte estructura del cajón
La vista con corte de la ilustración 31 muestra la diferencia entre los perfiles inferiores y
superiores del cajón. Los ángulos supriores cumplen una función de unión y punto de agarre y
soporte para el cajón de fibra de vidrio, más el soporte de cargas es labor de la estructura de la
tubería cuadrada.
Tomando en consideración la simulación sobre la estructura enteriza, se consideró mantener
como segmentos individuales los sectores dentro de la erztruct5ura con mayores esfuerzos.
Debido a las cargas ocasionadas por el mismo peso de los simuladores, y las cargas generadas por
los usuarios al momento de emplear el simulado.
Ilustración 32 Marco M60 con perforaciones
El primer modelo generado para esta sección emula la geometría de la estructura sólida,
trasmitiendo las cargas a un marco inferior. El marco inferior se sustenta en los tubos de perfil
cuadrado que soportan los momentos superiores.
23
Ilustración 33 Simulación soporte M-60
La simulación muestra como las cargas y esfuerzos se concentran en los tubos laterales,
manteniendo todavía un factor de seguridad de aproximadamente 10. Las cargas empleadas en la
simulación corresponden a una carga estática de 1.5 veces la estimada (3000 N-m en cada
soporte) y una carga dinámica ocasionada por aceleraciones sobre la estructura en la labor del
simulador.
Ilustración 34 Marco lateral delantero con perforaciones
Subsecuentemente los segmentos laterales se diseñaron considerando los esfuerzos mostrados en
la simulación; los cuales se concentran a lo largo de la parte superior e inferior e inferior cerca a
las esquinas. Para una mejor trasferencia de cargas se dejan las partes superiores e inferiores
como tramos de tubería interconectada en sus extremos formando un marco. Las uniones se
realizan de forma que los esfuerzos de flexión sobre las uniones soldados sean mínimos, de igual
forma las cargas recaen de forma axial sobre las uniones laterales del marco.
24
Ilustración 35 simulaciones Marco delantero
La parte delantera de la estructura no presenta mayores esfuerzos en la simulación de la
estructura sólida, pero cabe mencionar que esta parte de la estructura general es la encargada de
conectar los marcos, dándoles sustentos y transfiriendo las cargas de momentos que puedan
ocasionar efectos torpores sobre los marcos.
Ilustración 36 Simulación y comparación labor del marco
La rigidez que ofrece el maco delantero a toda la estructura se puede apreciar mediante la
comparación de las simulaciones. La presencia del marco delantero implica una reducción del 40%
en los esfuerzos presentes. Gran parte del alivio se encuentra en los marcos laterales que
experimentan una menor deformación por torsión debido a las cargas.
En el sector trasero se ubicara un marco unido en sus extremos con el soporte de las M60 que
complementara la geometría de la estructura enteriza anteriormente considerada. Las esquinas
contrarias de este marco se sujetan con la parte superior del soporte de los simuladores de las
M60 mediante dos brazos, los cuales transmitirán a esta última las cargas presentes en el marco
trasero.
25
Ensamble de estructura
Ensamble de piezas y acople de uniones
La siguiente estancia en el proceso de diseño de la estructura es la unión de las secciones, acople
de los cajones y unión con la estructura del robot. A continuación se ilustra el acople general de las
secciones, a manera de bosquejo del ensamble final de la estructura. Como se explicó en la parte
anterior; y según lo considerado en el proceso de diseño, el soporte de los simuladores de las
ametralladoras M-60 funciona como parte principal de la estructura. Iniciando con la unión de los
marcos laterales, se continúa con el ensamble del marco delantero, el marco trasero se acopla en
el costado opuesto. Adicionalmente se muestra adición de las columnas de sustento para los
suelos.
Ilustración 37 Ensamble general y acople secciones.
26
El seccionamiento de la estructura a la vez de solucionar el problema que genera manipular
estructuras de grandes dimensiones, también genera problemas al momento de la unión dada la
necesidad de hacer coincidir los elementos con precisión manteniendo las relaciones
dimensionales diseñadas. Paralelo a esto hay que considerar simplificar el armado de la
estructura.
Para esta parte del proceso de diseño es necesario tomar en consideración las herramientas
disponibles para el montaje de los segmentos. En la industria prevalece el empleo de uniones no
permanentes como pernos pasantes y tornillos, el empleo de estos elementos en estructuras
como estas requiere considerar la posición de la rosca o el lugar de roscado del tornillo.
El diseño de las uniones partió del uso exclusivo de pernos pasantes, los cuales crearan relaciones
entre las partes de la estructura empleando ángulos y platinas.
Ilustración 38 Uniones primer diseño.
Considerando la restricción de movimiento entre piezas que deben realizar las uniones, además
de las considerables cargas que tenderán a separas las secciones, es necesario el empleo de 8
pernos, 4 en dirección vertical y 4 dispuestos horizontalmente. El uso exclusivo de pernos pasantes
se debe a la dificultad de manufactura que implicaría posicionar la rosca dentro de la tubería de la
estructura, a nivel de manufactura sigue siendo más simple y práctico el empleo de tuercas en
estas en este tipo de uniones, un ejemplo de esto se ve en estructuras como grúas de construcción
y estructuras de arquitectónicas y civiles (puentes edificaciones, refuerzos de vigas etc.)
El diseño de elementos mecánicos con uniones no permanentes requiere tomar en consideración
un factor de vital importancia, como lo es los concentradores de esfuerzos generados por los
agujeros de las uniones. Entre las consideraciones en el diseño de estas uniones esta la distancia
entre agujeros, el tamaño del agujero, el grado del perno y el grosor del ángulo de la unión.
La adaptación de los segmentos para las uniones, como se muestra a continuación, implica
perforaciones en los perfiles que ubiquen los pernos sin generar interferencia entre ellos.
27
Ilustración 39 Perforación en segmentos.
Las tolerancias tanto dimensionales como geométricas necesarias para estas uniones necesitan ser
pequeñas para evitar cualquier tipo de juego dentro de la estructura que puede deteriorarla por
fatiga. De igual forma se tiene que mantener la correlación con las otras uniones y su coincidencia
tanto con el ángulo de la unión como el segmento al que se acoplara.
Ilustración 40 Dimensiones perforación uniones marco lateral.
Algún fallo al momento de la manufactura de estos agujeros implica el daño en la pieza al hacerla
inútil para acoplar la estructura. La solución por la se optó para reducir los riesgos de daños en los
segmentos de la estructura, implica generar unas uniones las cuales no comprometan la integridad
estructural de los segmentos, a la vez que restringa su movimiento y acoplen los segmentos de
forma adecuada; cabe mencionar que el correcto acople de los segmentos está relacionado con la
manufactura de los mismo, la labor de las uniones está en correlacionar los elementos dando por
sentado ciertas tolerancias dimensionales y geométricas dadas por los segmentos.
El refinamiento de las uniones implico considera la el empleo cridas, o una adaptación con el
mismo principio para la estructura; donde las partes son unidas por elementos independientes
empalmados mediante pernos uno al otro ensamblando los segmentos sin comprometer la
geometría de los mismos. Empleando una parte de la unión para fijar la posición de los elemento,
a la vez que una contra parte restringe sus grados de libertad, se busca fijar y posicionar los
segmentos correlacionándolos de forma efectiva y segura.
28
Ilustración 41 Uniones de dos partes.
El modelo CAD muestra el acople de las uniones a la estructura las cuales se conforma por 3
partes.
Ilustración 42 Base Unión
La base de la unión posiciona los segmentos que acopla alineando las caras de estas sobre
superficie, esta parte debe soportar las cargas de las do partes que une es por ello que el perfil
empleado en su diseño es de 3 mm (comercialmente disponible en el mercado nacional) la
disposición de los agujeros para los pernos busca disminuir el tamaño de la unión y a la vez
distribuir las cargas sobre los pernos de la forma más equitativa posible y así evitar la sobre carga
en alguno en particular que genere su falla prematura.
La contra unión consta de una lámina con tres dobleces de 90 grados, los cuales buscan adaptarse
al perfil de las secciones a unir y restringir su movimiento relativo a la base de la unión; esta se
encargara de restringir los grados de libertad entre las partes conectadas.
29
Ilustración 43 Contraparte unión
Como cualquier unión de elementos mecánicos, la rigidez estructural del conjunto se limita a
firmeza y solidez de la uniones que la conforman. Teniendo esto en cuenta es necesario
comprobar que la unión cumpla los requerimientos estructurales para con la estructura y las
cargas presentes en la labor del simulador.
Ilustración 44 Detalle unión y contra unión en perfil del segmento
En el detalle se aprecia la función de la unión y contra unión (muy semejante a las bridas de la
tuberías) sujetando el perfil de la tubería mientras estas se sujetan mediante pernos.
Ilustración 45 Resultado simulación uniones.
El resultado de la simulación de cargas sobre las uniones muestra como las partes de la unión
están cumpliendo con su labor de forma adecuada sin comprometer su integridad estructural. La
30
contra unión superior muestra esfuerzos en la cara de unión a las secciones, esto es debido a las
cargas axiales que ejerce el soporte de las M-60 por su movimiento relativo respecto al marco
lateral y las cargas que este sufre. El resto de cargas sobre la unión los soporte la base, la cual
sufre esfuerzos flectores. El hueco de la base donde se acopla el soporte de los simuladores de las
M-60, como es de esperarse muestra una concentración de esfuerzos pero aun así la unión
(diseñada en acero estructural) está lejana a un esfuerzo critico que ocasione falla en el acople.
Ilustración 46 Resultado simulación uniones segmento base.
Segmentos de sustento y rigidez estructural
Dentro de los parámetros y el proceso de diseño hay que considerar y contemplar la unión de la
estructura al robot del simulador. La estructura hasta este momento cumple con transferir las
cargas a la base, mas esta base no puede soportarse directamente en los perfiles de la estructura
empleada; estos no presentan la rigidez estructural necesaria para soportar el peso de toda la
estructura. Como solución a esta trasferencia e cargas, se optó por dar un segundo sustento a toda
la estructura mediante unas columnas de perfil más grande que puedan soportar la demanda de
rigidez exigida por el montaje.
Considerando las dimensiones de la perfilaría empleada en el robot del simulador, más
específicamente en la cruz que se acoplara a la lancha, se consideró la opción de emplear un perfil
de las mismas dimensiones, de esta forma se facilitaría la unión entre robot y lancha. Pese a tener
las mismas dimensiones, se decidió no emplear el mismo espesor de la tubería empleada en el
robot (~6mm) esto puesto implicaría un sobre dimensionamiento de la estructura y un incremento
demasiado brusco del peso conjunto del montaje; para el sustento de la estructura se empleara un
perfil de 4 mm de espesor, con medidas nominales de 2” por 6”,
31
Ilustración 47 Segmentos de sustento columnas principales.
De igual forma que con las uniones del resto de la estructura, la rigidez de las columnas está en las
uniones que las acoplen al resto del montaje. Las uniones diseñadas para este segmento de la
estructura emulan las empleadas en la cruz del robot del simulador, en donde se busca trasferir las
cargas mediante una cruz base que ensamble los segmentos perpendiculares, de esta forma se
acoplan las secciones ensambladas y la columna dejando esta última como pilar principal donde
recae el peso de la estructura.
La tarea principal de las uniones es la de correlacionar los pilares de la estructura, es decir, tiene
que poder sopor las cargas que experimentas conjuntamente las secciones y las cuales se plantea
trasferir a la base del simulador. Debido a estos requerimientos estructurales se emplea un perfil
de 3mm para la manufactura de las uniones: los pernos empleados para la unión con los pilares
son de 1 pulgada y media.
Ilustración 48 Modelo unión cruz estructura
Además de correlacionar los pilares de la estructura y trasferir cargas, la unión, gracias a su
geometría, posiciona diversos elementos dentro de la estructura además de restringir los
movimientos relativos entre las secciones arrojando así un mejor acople del montaje. Dentro los
movimientos y labor en general del simulador, es factible encontrar fuerza que fluctúen en
direcciones de forma recíproca, esto puede implicar la aparición de esfuerzo de fatiga dentro de la
estructura. Pese a que estos fenómenos de cargas y esfuerzos fluctuantes no pueden ser tan
repetitivos como sucede en contajes con ejes rotativos y similares, es necesario tomar en
32
consideración el efecto dañino en la estructura a largo plazo. Bajo esta premisa se optó por
emplear una lámina de contra unión superior a la unión cruz, similar a las uniones de los
segmentos de la estructura y las bridas de tubería.
Ilustración 49 Acople uniones de columnas de sustento
En la validación computacional de la unión, se puede apreciar el comportamiento esperado.
Esfuerzos en las esquinas debido a los concentradores que estas generan, además de cargas en la
base debido a la flexión producto del movimiento relativo de las partes relacionadas. La
trasferencia de carga de una columna a la otra también se ve reflejada en estos esfuerzos. La
lamina superior, empleada como contra unión, se ve afectada por las cargas que flexionan
aliviando un poco el trabajo de la unión cruz y permitiendo una mejor trasferencia entre pilar y
pilar.
Ilustración 50 Simulación segmento de unión cruz
Por la disposición de los segmentos, las partes a unir y la geometría general de la estructura, es
necesario diseñar diversas uniones para parte. Los bordes presentan un saliente donde se
apoyaran los pernos dela estructura. De igual forma se configuro esta unión para ser empleada en
los bordes de la estructura donde se apoyaran las costillas de soporte del suelo de la estructura.
33
Ilustración 51 Costillas soporte suelo- Uniones y posicionamiento.
Acople cajones
En este punto se tiene toda la estructura como un elemento solido correlacionado mediante
uniones pernadas, mas falta la unión de los cajones los cuales se mantienen como elementos
independientes. Para adjuntar estos elementos se emplea una unión que acople dos elementos
perpendiculares (como lo hace la unión cruz) de más de relaciona los perfiles independientes
(como la unión de los segmentos) Como resultado se diseñó una unión de dos partes (base y
contra uniones) la base se ensambla en una de las costillas de la estructura donde se posiciona el
cajón. Este último se une a empleando contra uniones que se acomodan al perfil del marco
inferior y se acoplan a los espacios disponibles en la base.
Ilustración 52 Unión cajones-Acople a la estructura - Conjunto de uniones
34
Validación estructura- Simulaciones
Una vez terminado el ensamble total e la estructura, se debe seguir con una validación final de
todo el montaje considerando las cargas tanto estáticas como dinámicas dentro del simulador.
Ilustración 53 Simulación estructura completa
Las primeras simulaciones consideran las cargas previamente estipuladas en un ámbito estático,
aplicando las cargas de los simuladores como un momento resultante en la parte superior.
Subsecuente mente se fueron adicionadas la carga ocasionada por los usuarios en diferentes
escenarios inclinaciones del simulador.
Ilustración 54 Resultados simulaciones cargas estáticas
Los resultados de la simulación muestran como las cargas se sigues distribuyendo en las secciones
según lo diseñado, aminorando las cargas en las esquinas y las uniones y apoyándose en los pilares
de las columnas de sustento. Los cajones disipan las cargas de forma efectiva presentando un
mínimo de esfuerzos.
El siguiente pasó en el proceso de validación de la estructura es aplicar las cargas usadas en el
ámbito estático mientras se aplica un efecto dinámico a la estructura. Como la validación busca
comprobar los escenarios más críticos se considera el escenario de una inclinación brusca hasta un
declive de 15 grados; esto aplicando una aceleración angular y una aceleración correspondiente a
la inclinación que direccione las fuerzas estáticas aplicadas.
35
Ilustración 55 Simulación cargas dinámicas estructura
Ilustración 56 Resultado simulación cargas dinámicas
La presencia de los componentes dinámicos dentro de la simulación del montaje afecta la
estructura sobre cargando el lado de la inclinación o el de la dirección de la aceleración. Como
resultado, cargas que anteriormente estaban sobre sectores donde se concentraban esfuerzos se
direccionaron a elementos como los pilares columna, disminuyendo así los esfuerzos máximos
presentes en el montaje.
Sustentándose en las simulaciones sobre los elementos individuales en escenarios extremos, al
igual que el comportamiento de la estructura completa en el simulador de elementos finitos, el
diseño propuesto cumple con los requerimientos adecuados para el funcionamiento del
simulador, además de buscar un rendimiento y máximo aprovechamiento del peso de la
estructura buscando la menor cantidad de masa sin sacrificar integridad estructural del montaje.
36
4. Diseño Cubierta
Para el diseño de la cubierta, se aprovechó el perfil empleado para el anterior simulador para
obtener una geometría del borde de la cubierta, esto debido al desconocimiento de parte de la
geometría como la inclinación lateral, las medias de los dobles y espesor de pared.
Del modelo de visualización empleado para las primeras medidas de la lancha se obtuvo un
esquema de las dimensiones internas de la cubierta con ello se empezó el proceso de diseño.
Diseño preliminar
En primera instancia se desarrolló el modelo del cual se obtuvo las medidas y dimensiones
empeladas en el proceso de diseño de la estructura.
Ilustración 57 Planos diseño preliminar cubierta
Este modelo se desarrolló con un perfil de 1,5 mm debido al desconocimiento el espesor plausible
en la industria. Consultando la empresa que desarrollo la anterior cubierta, afirmaron lograr un
espesor promedio de 7 mm para las zonas que requieren mayor resistencia (suelos) y de 5 mm
para secciones sin mayores cargas y requerimientos estructurales.
Ilustración 58 modelo CAD diseño preliminar cubierta.
37
Seccionamiento y partes.
De igual forma que sucede con la estructura metálica, el manipular un elemento de 2 metros de
ancho por 4 de largo es una tarea bastante complicada, tanto por la disponibilidad espacial del
laboratorio como el transporte y manejo fuera de la universidad.
Empleando la misma solución pasada, se opta por seccional la cubierta en segmentos de
dimensiones más tratables y manipulables, que permitan a su vez una fácil adaptación a la
estructura.
La primera parte que se secciono de la estructura fue la parte de los cajones, se decidió dejar esta
parte como un cajo unitario que integre el cajón de los usuarios de simulador y del comandante.
Esto debido al ahorro de peso por menor empleo de materia y también considerando el difícil
ensamblaje de dos secciones tan cercanas en la cubierta.
Ilustración 59 Sección de cajones en fibra de vidrio
Como resultado la cubierta presenta un agujero preciso para unirla a la estructura posicionando
los cajones. Por otro lado está cubierta sigue teniendo dimensiones demasiado grandes para con
los requerimientos del simulador. Es por ello que se decide dividir la cubierta en dos partes.
Ilustración 60 Cubierta resultante primer seccionamiento.
38
Ilustración 61 Cubierta seccionada en dos partes.
La división de la cubierta busca distribuir el vacío dejado por la parte de los cajones de forma
equitativa entre las partes resultantes; de esta forma se evita disminuir la resistencia estructural
de alguna por escases de material.
Refinamiento para fabricación
El modelo de cubierta desarrollado hasta el momento tiene como consideración el espesor de la
cubierta y una geometría base. Para la fabricación es necesario considerar el método de
manufactura; que para este caso sería mediante moldeo sobre un modelo. Esto implica que la
cubierta resultante presente un ángulo de desmolde a considerar en la geometría final de la
misma.
Espesor de cubierta
Las estructuras y elementos en fibra de vidrio pueden presentar una gran variedad de espesor,
además de poder variar a lo lardo de la superficie a criterio del diseño planteado. Para la
estructura en primera instancia se contempló el empleo de un espesor uniforme para toda la
cubierta. El primer espesor empleado fue de 15mm. El peso de la cubierta para dichas
características fue excesivo para el montaje (próximo a los 200 kg).
Consultando los espesores posibles en la manufactura de la cubierta, se obtuvo que es factible un
mínimo de 5mm. Este espesor permite economizar material, y por ende peso de la cubierta, mas
implica una reducción es su rigidez estructural. Debido a las dinámicas que presentara al momento
de ejecutar el simulador, se recomendó emplear en los suelos un espesor de 7mm y emplear el de
5mm para los bores.
39
Pestañas de borde
Los elementos fabricados en fibra de vidrio requieren una pestaña en su borde para evitar el
pandeo, que puede con llevar a daños y fallos en el cuerpo. El empleo de las pestañas es una
solución en caso que el borde no este acoplado o unido en varios puntos a un elemento rígido, el
borde trasero es un ejemplo de ello. El diseño preliminar se planteó un borde sin pestaña; para
emular la geometría de la lancha original en al que no se ve ningún apoyo además de los motores.
Ilustración 62 Diseño preliminar cubierta-Modelo de visualización
Dado que la estructura metálica no presenta una superficie donde asegurar el borde superior de la
lancha, y que el fenómeno de pandeo pude averiar toda esa parte de la cubierta, se acudió a
empelar una pestaña en este segmento. La dimensión de esta pestaña será la misma de los bordes
de cubierta, es decir, los empleados en la manufactura de primera cubierta (aproximada mente
310mm).
Los bordes en los que se dividió la cubierta están apoyados sobre el marco inferior del soporte
dela s M-60. Este sería el punto de apoyo adecuado para la asegurar esto bordes libres; por ende
no es prescindible una pestaña en este segmento.
Acabados superficial
En función del tipo de manufactura, el acabado superficial de la estructura puede variar entre uno
brusco; normalmente la parte interior de los elementos fabricados debido a su poca estética, el
acabado medio; producto de la fabricación con un color gris propio de la fibra de vidrio, y el acabo
liso y esmaltado. Debido a la función que desarrollara la cubierta, el acabado medio es más que
suficiente para la estética requerida por el simulador.
El acabado brusco es producto de la fabricación del elemento, y se debe a adición de capas de
fibra de vidrio; lo cual es un proceso manual.es decir, que la superficie en contacto con el modelo
tiene un mejor acabado (y bordes) que la superficie contraria.
Para la cubierta, el modelo será la parte interna de la lancha, es decir que la zona de trabajo donde
se encontraran los usuarios y los elementos del simulador contara con el acabado superficial
medio. Para os cajones se presenta un caso diferente, debido a la geometría que presenta el
modelo seria interno, dejando así el acabado superficial brusco de lado de los usuarios.
40
Radios de curvatura
Los radios de curvatura hacen referencia a las consideraciones necearías al momento de diseñar
las dimensiones de la cubierta. Dentro del proceso de diseño se manejan geometrías con ángulos
de 90° y esquinas pronunciadas. Al momento de fabricar la cubierta ciertos ángulos no pueden ser
tan pronunciados y presentara una curvatura. Estos afecta algunas partes de la geometría, pero la
consideración esta mas relacionada con el momento de acople con la estructura metálica; es por
ello que en las partes de la esquinas se debe considera que las esquina curvada puede generar una
interferencia que no permita el acople de los bordes o el suelo. Gracias a la geometría con
inclinación que tendrá la cubierta se puede evitar este tipo de conflictos entre la cubierta yu la
estructura.
Un segundo caso donde los radios de curvatura pueden implicar un problemas, es el acople de el
cajón y su estructura correspondiente. Original mente se pensó en un diseño donde la estructura y
la cubierta encajasen de forma justa, escenario poco probable debido a los radios de curvatura
que presentaría el cajón. Como solución se diseñó el modelo del cajo de la cubierta con
dimensiones que permitan un juego y eviten la interferencia entre el ángulo de la estructura y la
curvatura interna del cajón.
Ilustración 63 Juego entre la cubierta y la estructura del cajo para evitar interferencias.
5. Estructura y cubierta Diseño final. El diseño final cuneta consta de una estructura de perfil cuadrado de diferentes espesores
subdividida en 6 segmentos interconectados por uniones y ángulos de sujeción. Paralelo a esto
cuenta con una cubierta de 3 partes acoplada en los bordes de la estructura.
El conjunto de Cubierta y estructura presenta un peso de 488,5 kg. Sin confederar el peso de los
pernos empleados.
41
Ilustración 64 Modelo CAD diseño final.
Ilustración 65 Propiedades modelo diseño final
42
6. Sujeción al Robot
Interferencias con el robot.
El simulador se empelara para emular situaciones extremas de inclinación (presentes en el zona
de combate real) dentro de los rengos de inclinación que puede presentar el simulador esta un
escenario en el que el robot puede chocar con la estructura. Este evento se presenta al combinar
dos inclinaciones extremas (15° en dirección longitudinal y lateral)
Ilustración 66 Modelo de la inclinación del robot. Grupo GIAP
El choque sucede con el serbo motor en la esquina de la lancha. Pese a que es poca la
interferencia, sigue siendo un parámetro considerar en el diseño de la unión robot- estructura y
cubierta; puesto que puede implicar el daño en los motores del simulador.
La solución para este caso es levantar la estructura respecto a la cruz del robot. Con un delta de
altura e 150 mm la estructura estará lejos de conflicto con los motores.
Ilustración 67 distanciamiento base estructura de la cruz del robot
Empleando soportes en los puntos de acople de la estructura a la cruz, se puede levantar la
estructura lo suficiente para evitar interferencia y cloques internos.
43
Uniones
Las uniones para el ensamble buscan soportar el peso de la estructura con cubierta y poder
trasferir esas cargas sobre el robot del simulador. Para ello se emplea una soporte de 3 mm de
espesor con el ancho de los pilares de sustentación de la estructura y la cruz del robot ; que se
unirá empleando una contra unión tipo c.
Ilustración 68 Conjunto unión para la estructura y el robot.
Al igual que todas las uniones s y elementos mecánicos diseñados en el proyecto, este mecanismo
debe ser sustentado mediante una simulación que garantice su rigidez estructural y desempeño
dentro del simulador. Para la simulación se consideró el peso final del diseño definitivo, además de
las cargas empleadas para la estimación de esfuerzos en la estructura.
Ilustración 69 Resultados simulación uniones.
La simulación arroja un factor de seguridad de 1 para la unión de 3mm, considerando la presencia
de más uniones que soporten parte de la cargo le factor de seguridad aumenta a 3 para es la unión
con mayores esfuerzos.
44
Ilustración 70 Configuración de uniones
Los bordes de la cruz deben acoplarse a un perfil diferente en una posición perpendicular, es por
ello que se diseñó uniones que permitiesen unir los bordes y soportarse las cargas. De igual forma
estas uniones se comprueban mediante la simulación de elementos finitos.
Ilustración 71 uniones del borde
Ilustración 72 Resultado simulación
45
7. Tabla de ilustraciones Ilustración 1 Medidas genérales y zonas de operación. (GIAP) .......................................................... 6
Ilustración 2 Modelo computacional lancha .3d (GIAP) ...................................................................... 6
Ilustración 3 Software para conteo de pixeles. ................................................................................... 7
Ilustración 4 Conteo de pixeles y cuantificaciones dimensiones. ....................................................... 7
Ilustración 5 Conteo de pixeles y medidas laterales cubierta ............................................................. 8
Ilustración 6 Caracterización y cuantificación dimensional de la cubierta ......................................... 8
Ilustración 7 Modelo CAD de la cubierta. ........................................................................................... 9
Ilustración 8 Esquema general cargas sobre la cubierta ..................................................................... 9
Ilustración 9 Posición soldado enlancha de combate real. ............................................................... 10
Ilustración 10 Canon corporal y posicionamiento del usurario. ....................................................... 10
Ilustración 11 Esquema de variación de magnitud de cargas por inclinación .................................. 11
Ilustración 12 Simulación cargas soportes M60 ................................................................................ 12
Ilustración 13 Simulación estado crítico inclinación 0° ..................................................................... 12
Ilustración 14 Simulación análisis deformación. ............................................................................... 13
Ilustración 15 Estructura perfil redondo, uniones y vista frontal. ................................................... 13
Ilustración 16Estructura perfil cuadrado, vista uniones ................................................................... 14
Ilustración 17 Estructura perfil redondo ........................................................................................... 14
Ilustración 18 vista frontal perfil redondo ........................................................................................ 15
Ilustración 19 Estructura perfil redondo con barra horizontal. ........................................................ 15
Ilustración 20 Esquema de aplicación de cargas. .............................................................................. 15
Ilustración 21Resultados simulaciones ............................................................................................. 16
Ilustración 22 Esquema simulación de cargas. .................................................................................. 16
Ilustración 23 Resultados simulaciones. ........................................................................................... 17
Ilustración 24 Modelo de perfil cuadrado- Esquema de simulación................................................. 17
Ilustración 25 Resultado simulación estructura. ............................................................................... 18
Ilustración 26 Modelo de perfil cuadrado refinado- Esquema de simulación y resultados ............. 18
Ilustración 27 Estructura perfil cuadrado con apoyo diagonal- Simulación y resultados. ................ 19
Ilustración 28 Aspecto general modelo base diseño de estructura .................................................. 20
Ilustración 29 Modelo Primario de la estructura del cajón............................................................... 21
Ilustración 30 Modelo refinado estructura del cajón ....................................................................... 21
Ilustración 31 Vista con corte estructura del cajón .......................................................................... 22
Ilustración 32 Marco M60 con perforaciones ................................................................................... 22
Ilustración 33 Simulación soporte M-60 ........................................................................................... 23
Ilustración 34 Marco lateral delantero con perforaciones ............................................................... 23
Ilustración 35 simulaciones Marco delantero ................................................................................... 24
Ilustración 36 Simulación y comparación labor del marco ............................................................... 24
Ilustración 37 Ensamble general y acople secciones. ....................................................................... 25
Ilustración 38 Uniones primer diseño. .............................................................................................. 26
Ilustración 39 Perforación en segmentos. ........................................................................................ 27
Ilustración 40 Dimensiones perforación uniones marco lateral. ...................................................... 27
46
Ilustración 41 Uniones de dos partes. ............................................................................................... 28
Ilustración 42 Base Unión .................................................................................................................. 28
Ilustración 43 Contraparte unión ...................................................................................................... 29
Ilustración 44 Detalle unión y contra unión en perfil del segmento ................................................. 29
Ilustración 45 Resultado simulación uniones. ................................................................................... 29
Ilustración 46 Resultado simulación uniones segmento base. ......................................................... 30
Ilustración 47 Segmentos de sustento columnas principales. .......................................................... 31
Ilustración 48 Modelo unión cruz estructura .................................................................................... 31
Ilustración 49 Acople uniones de columnas de sustento .................................................................. 32
Ilustración 50 Simulación segmento de unión cruz .......................................................................... 32
Ilustración 51 Costillas soporte suelo- Uniones y posicionamiento. ................................................ 33
Ilustración 52 Unión cajones-Acople a la estructura - Conjunto de uniones .................................... 33
Ilustración 53 Simulación estructura completa ................................................................................ 34
Ilustración 54 Resultados simulaciones cargas estáticas .................................................................. 34
Ilustración 55 Simulación cargas dinámicas estructura .................................................................... 35
Ilustración 56 Resultado simulación cargas dinámicas ..................................................................... 35
Ilustración 57 Planos diseño preliminar cubierta .............................................................................. 36
Ilustración 58 modelo CAD diseño preliminar cubierta. ................................................................... 36
Ilustración 59 Sección de cajones en fibra de vidrio ......................................................................... 37
Ilustración 60 Cubierta resultante primer seccionamiento. ............................................................. 37
Ilustración 61 Cubierta seccionada en dos partes. ........................................................................... 38
Ilustración 62 Diseño preliminar cubierta-Modelo de visualización ................................................. 39
Ilustración 63 Juego entre la cubierta y la estructura del cajo para evitar interferencias. .............. 40
Ilustración 64 Modelo CAD diseño final. ........................................................................................... 41
Ilustración 65 Propiedades modelo diseño final ............................................................................... 41
Ilustración 66 Modelo de la inclinación del robot. Grupo GIAP ........................................................ 42
Ilustración 67 distanciamiento base estructura de la cruz del robot................................................ 42
Ilustración 68 Conjunto unión para la estructura y el robot. ............................................................ 43
Ilustración 69 Resultados simulación uniones. ................................................................................. 43
Ilustración 70 Configuración de uniones ........................................................................................... 44
Ilustración 71 uniones del borde ....................................................................................................... 44
Ilustración 72 Resultado simulación ................................................................................................. 44
47
8. Bibliografía 1. Ordoñez N (2011). Sistema de control en tiempo real de la plataforma Stewart:
adaptación como simulador en tierra de vehículos aéreos. Tesis de pregrado de Ingeniería
mecánica. Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.
2. Mogollón F (2009) Optimización de movimientos para un simulador en una plataforma
Stewart. Tesis de pregrado de Ingeniería mecánica. Universidad de los Andes, Bogotá,
Colombia.
3. Barreto J (2008) Implementación de un simulador de conducción en una plataforma de
Stewart. Tesis de pregrado de Ingeniería mecánica. Universidad de los Andes, Bogotá,
Colombia.
4. Chiew. Y.S Abdul Jail, M.K. Hussein, M (2008). Kinematic modeling of driving simulator
motion plataform. Procceding of the 2008 IEEE conference on inovative technologioes.
5. Vivas J. (2006) plataforma para simuladores dinamicos. Tesis de pregrado de Ingeniería
mecánica no publicada. Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.
6. Mangonon P. The principles of Materials selection for Engineering Desing, Prentice Hall.
7. Kane T. R Levinson D.A. Dynamics, theory and aplications. McGrw Hill, 1985.
8. Nicholas P. Cheremisinoff, Paul N. Fiberglass Reinforced Plastics, Chapter 2 - Resins and
properties 1995, Pages 39-65
9. Vincent Caccese, Jean-Paul Kabche, Keith A. Berube, Michael J. Boone.Structural response
of a hybrid composite/aluminum strut assembly Original Research Article Composite
Structures, Volume 80, Issue 2, September 2007, Pages 159-171
10. Wu Dongsu, Gu Hongbin. Adaptive Sliding Control of Six-DOF Flight Simmulator Motion
Platform Original Research Article Chinese Journal of Aeronautics, Volume 20, Issue
5, October 2007, Pages 425-433
11. Zheng Geng, Leonard S. Haynes, James D. Lee, Robert L. Carroll On the dynamic model and
kinematic analysis of a class of Stewart platforms Original Research Article Robotics and
Autonomous Systems, Volume 9, Issue 4, 1992, Pages 237-254
