Dron de titanio ligero

Si no tenemos en cuenta los resultados del análisis por elementos finitos en el panel de abeja y nos centramos en los resultados de los pilares vemos que se alcanza la plastificación y la rotura del chasis puesto que la tensión de fluencia del Ti6Al4V es del orden de 900Mpa. Esto ocurre en cierta medida pon la elección de las superficies de restricciones del estudio.

Hasta ahora siempre hemos usado los mismos volúmenes base para realizar los estudios, en esta ocasión realizaremos un nuevo diseño generativo con el único fin de rediseñar el modelo de titanio para aligerar la estructura todo lo posible. Para ello usaremos como base de la recurrencia el chasis que acabamos de diseñar como geometría inicial. Esto tendrá dos ventajas, una es que como el programa tiene un límite máximo de iteraciones podrá usarlas en optimizar la estructura y no en buscar una primera geometría. La otra ventaja es que si elegimos los volúmenes a unir Fuera del primer cuadrante podemos delegar en el diseño generativo la creación del chasis completo y no solo del brazo como se ha hecho hasta ahora.

11.1 Geometrías iniciales

Nótese que no mostramos la geometría evitar de la pala para que se aprecie la figura. Ahora incluimos una geometría evitar que es el interior del chasis, y cómo geometrías a unir tenemos un volumen inventado fuera del primer cuadrante y una chapa soporte en vez de un tubo.

Las solicitaciones objetivos y materiales son las mismas que en el estudio 3.

Acción	Fx [N]	Fy [N]	Fz [N]	Mz [N m]
1	censurado	censurado	censurado	censurado
2	censurado	censurado	censurado	censurado
3	censurado	censurado	censurado	censurado
4	censurado	censurado	censurado	censurado
5	censurado	censurado	censurado	censurado

• Factor de seguridad límite: 2

• Objetivo: Masa mínima

• Métodos de manufactura.

  • Fresado de 5 ejes

  • Manufactura aditiva

11.2 Resultados

los resultados para el método de manufactura de fresado de 5 ejes

Resultados de manufactura aditiva

En esta ocasión cómo se está diseñando 1/4 de chasis completo las comparativas del programa se ajustan a los resultados finales. Representando energía de distorsión de la masa:

Representando desplazamiento máximo frente a masa tenemos:

A continuación, comparamos los resultados de menor masa, solución 13 de Ti6Al4V y solución 14 de aluminio 6161 T6 80

Resolvemos desarrollar la solución 13 pero nos encontramos con un problema, a lo largo de las últimas iteraciones el algoritmo ha roto ciertas uniones por lo que la estructura no tiene demasiado sentido.

para solventar esto elegimos una iteración anterior en la que todavía esto no haya sucedido, concretamente en la interacción 39.

11.3 Diseño del Chasis 3

Partimos de la solución 13 iteración 39 diseñada para las especificaciones de la aleación Ti6Al4V, Que está especialmente indicada para la manufactura aditiva por tecnología Direct Metal Laser Sintering (DMLS). En Capítulos posteriores haremos mejor referencia a ello.

Sustraemos volumen mediante cortes para aligerar peso

Añadimos dos barras curvas mediante la extrusión de perfiles circulares

Subsanamos inconsistencias geométricas y mediante operaciones de espejo de volúmenes terminamos el chasis.

Chasis 3
Área	352.699 cm^2
Densidad	4.43 g / cm^3
Masa	110.546 g
Volumen	24.954 cm^3
Material	titanio 6Al-4V
Aspecto	Titanio - pulido
Caja frontera
	Length	19.441 cm
	Width	20.817 cm
	Height	4.54 cm
Centro de masas	6.034E-06 cm, -2.497E-05 cm, 1.001 cm
Momento de Inercia en cdm (g cm^2)
	Ixx = 3675.358
	Ixy = 0.00
	Ixz = 0.001
	Iyx = 0.00
	Iyy = 1704.503
	Iyz = 0.00
	Izx = 0.001
	Izy = 0.00
	Izz = 4985.183

11.4 Análisis estructural estático por elementos finitos chasis 3

Para simular las condiciones operativas De vuelo simularemos las solicitaciones de cabeceo alabeo y guiñada con las mismas solicitaciones que en el chasis 1 para poder hacer un análisis comparativo.

Aplicamos restricciones geométricas en dos soportes de rotores.

las solicitaciones se aplicarán en los soportes de los rotores opuestos

Cabeceo

Se aplican dos fuerzas con las componentes que mostramos en el recuadro en cada soporte rotor.

Eje	Fuerza [N]
X	0 N
Y	50 N
Z	100 N

Coeficientes de seguridad

0 8

Tensión de Von Mises

[MPa] 0 2419

Tensión Principal 1ra

[MPa] -1201 1607

Tensión Principal 3ra

[MPa] -3687 250

Desplazamiento Total

[mm] 0 27.55

Deformación equivalente

0 0.03852

Deformación Principal 1ra

0 0.02347

Deformación Principal 3ra

-0.04226 -0

Alabeo

Fuerza 1		Fuerza2
Eje	Fuerza [N]	Eje	Fuerza [N]
X	0 N	X	0 N
Y	50 N	Y	-50 N
Z	200 N	Z	-200 N

Coeficientes de seguridad

0 8

Tensión de Von Mises

[MPa] 0 1400

Tensión Principal 1ra

[MPa] -443 1578

Tensión Principal 3ra

[MPa] -1587 378

Desplazamiento total

[mm] 0 10.83

Deformación equivalente

0 0.02095

Deformación Principal 1ra

0 0.02092

Deformación Principal 3ra

-0.0222 -0

Simulación Guiñada

Momento 1		Momento 2
Eje	Momento [N m]	Eje	Momento [N m]
X	0	X	0
Y	0	Y	0
Z	15	Z	15

Coeficiente de seguridad

0 8

Tensión Von Mises

[MPa] 0 2204

Tensión Principal 1ra

[MPa] -429 2498

Tensión Principal 3ra

[MPa] -2625 322

Desplazamiento Total

[mm] 0 4.353

Deformación equivalente

0 0.02798

Deformación Principal 1ra

0 0.02894

Deformación Principal 3ra

-0.02932 -0

Tabla resumen extremos de todas las acciones
Nombre	Mínimo	Máximo
Factor de seguridad	0.3648	15
Tensiones
Von Mises	1.245E-05 MPa	2419 MPa
1er Principal	-1201 MPa	2537 MPa
3er Principal	-3687 MPa	413.7 MPa
Normal XX	-2400 MPa	2498 MPa
Normal YY	-1799 MPa	989.8 MPa
Normal ZZ	-2167 MPa	1232 MPa
Tangencial XY	-716.6 MPa	877.1 MPa
Tangencial YZ	-892.6 MPa	733 MPa
Tangencial ZX	-920.3 MPa	1121 MPa
Desplazamiento
Total	0 mm	27.55 mm
X	-1.631 mm	3.531 mm
Y	-4.128 mm	2.565 mm
Z	-10.75 mm	27.55 mm
Fuerza de reacción
Total	0 N	127.4 N
X	-117.6 N	98.58 N
Y	-36.2 N	48.85 N
Z	-80.91 N	82.37 N
Deformación
Equivalente	1.67E-10	0.03852
1st Principal	-5,88E-05	0.02347
3rd Principal	-0.04226	-1,52E-07
Normal XX	-0.01104	0.01873
Normal YY	-0.008111	0.0075
Normal ZZ	-0.01572	0.009437
Tangencial XY	-0.01701	0.02082
Tangencial YZ	-0.02119	0.0174
Tangencial ZX	-0.02184	0.0266

Los resultados de este chasis son satisfactorios, analizando el factor de seguridad en la solicitación de cabeceo se alcanza un mínimo de 0,36 en puntos localizados cerca del rotor, esto ocurre en zonas muy localizadas y con un pequeño aumento de la sección debería de ser subsanable.

La solicitación de alabeo se observa como prácticamente todo el material de la estructura está trabajando lo cual es un buen indicador de que la geometría se ha optimizado correctamente, Los momentos de la guiñada coinciden con las solicitaciones con las que se generó la estructura a través del diseño generativo y no presentan complicaciones.

En el análisis de desplazamientos, para la solicitación de cabeceo, se alcanzan 27 mm de desplazamiento. Que la estructura pueda alcanzar esa deformación sin que aparezcan deformaciones plásticas excepto en puntos muy localizados es, sin lugar a duda, un éxito. Si tenemos en cuenta que la estructura pesa 110g.

Los desplazamientos máximos, que mostramos en la siguiente tabla, podrían reducirse si añadiésemos rizadores en el plano vertical, hay que señalar que cuando diseñamos el chasis no añadimos ninguno en ese plano.

Desplazamiento máximo [mm] - Acción de cabeceo	27,55
Desplazamiento máximo [mm] - Acción de alabeo	10,83
Desplazamiento máximo [mm] - Acción de guiñada	4,35