INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL TICOMAN

ING. AERONUTICA

DISEO GEOMTRICO, AERODINMICO Y ESTRUCTURAL DE UN ALA TRAPEZOIDAL

Presentan:

Escobar Martnez Coral

Lomas Rodrguez Rene Guehazi

Zuiga Bocanegra Daniel6AM2

Materia: Estructuras de pared delgadaProfesor: Hernndez Gutirrez AbelFecha de entrega: 09/03/2015

Ttulo: Diseo geomtrico, aerodinmico y estructural de un ala trapezoidal

Objetivo.Construir un ala trapezoidal, realizando el diseo de un perfil para la construccin de un prototipo y determinar su comportamiento estructural y analizar su comportamiento aerodinmico.

Alcance.Comienza con el diseo de un perfil aerodinmico, planificacin, evaluacin de costos, manufactura de un modelo real a escala de una semi-ala y concluir con los clculos del rea, centroide y momentos de inercia de primer y segundo orden y la experimentacin en el tnel de viento.

Metodologa Los diferentes software utilizados son bsicos como Excel, Solidworks los cuales se utilizaron para realizar el perfil a utilizar y Autocad el cual se usa para la cortadora a laser y manufacturar los perfiles. El mtodo utilizado para ajustar las curvas es el de regresin polinmica de orden 4 y 6.

i

Resumen.El presente trabajo tiene como finalidad calcular el rea, centroides y momentos de inercia de un perfil aerodinmico y realizar un modelo real a escala de una semi-ala, finalmente realizar un anlisis en ANSYS para determinar donde se encontraran los esfuerzos mximos y mnimos, a ligal que las deformaciones, pero el objetivo de este trabajo es comprender de manera analtica y experimental el comportamiento aerodinmico y estructural de una ala trapezoidal. Este proyecto se realizara por etapas. Para realizar la primera parte comenzaremos proponiendo un perfil con el cual se realizara un prototipo, primero se trazara el perfil a mano, posteriormente se vectorizara mediante el software de Solidworks y se procedi a realizar el corte mediante lser en MDF. Los perfiles obtenidos se unirn y se les insertara una varilla de acero para su utilizacin en el tnel de viento y as poder determinar el comportamiento de dicho perfil. En la segunda etapa se realizara el diseo de la semi-ala y se analizara en ANSYS para determinar donde se encuentran los esfuerzos mximos y mnimos y las deformaciones, la semi-ala se manufacturara mediante corte a laser el material a utilizar ser acrlico de diferentes espesores.

Abstract.

This paper aims to calculate the area, centroid and moments of inertia of an airfoil and make an actual scale model of a semi-wing, but the goal of this work is to understand the analytical and experimental aerodynamics and structural a trapezoidal wing. This project will take place in stages. For the first part we begin by proposing a profile with a prototype which will be held first profile was mapped to suck then vectorize it using Solidworks software and proceeded to perform laser cutting MDF. The profiles obtained will join them and inserted a steel rod for use in the wind tunnel so we can determine the behavior of the profile.

ii

iii

INDICE (Tentativo)Titulo iObjetivo.. iAlcance. iResumen. iiAbstract... iiIntroduccin. iiindice de imgenes. iiiCaptulo I.... 11.1 Perfil aerodinmico.. 11.2 Ala.2-51.3 Consideraciones preliminares 51.4 Procedimiento 61.4.1 Diseo y eleccin del perfil61.4.2 Modelado de la semi-ala en Solidworks7-81.4.3 Desarrollo del modelo para experimentacin..91.5 Clculos del perfil..1.5.1 Calculo del rea del perfil...1.5.2 Calculo del centroide.1.5.3 Calculo de los momentos1.5.4 Resultados1.5.5 Comprobacin de resultado (sofware).

Capitulo II 2.1 Anlisis Aerodinmico del perfil 2.2 Calculo de CAM del ala 2.3 Calculo del alargamiento2.4 Vistas del ala en Solid Works..2.5 Construccin del ala. 2.6 Diseo y Anlisis en Ansys.

CAPTULO I

1.1 Perfil aerodinmico. Definicin.En aeronutica se denomina perfil alar, perfil aerodinmico o simplemente perfil, a la forma plana que al desplazarse a travs del aire es capaz de crear a su alrededor una distribucin de presiones que genere sustentacin.Se llama as a la forma que tiene la seccin transversal del ala o de la pala de un aerodino y permiten que se generen las reacciones que sustentan en el aire o levantan tales aerodinos. En este tipo de perfiles las lneas de corriente permanecen unidas al cuerpo durante la mayor parte de su recorrido. Introduccin.Los perfiles pueden ser ms finos o gruesos, curvos o poligonales, simtricos o no.Caractersticas geomtricas del perfil

Cuerda: Lnea que une el intrads con el extrads de un perfil.Lnea de cuerda: Es la lnea recta que pasa por el borde de ataque y por el borde de salida.Borde de ataque: Es la parte delantera del ala en el sentido del vuelo. Es la primera que se encuentra con la corriente de aire.Borde de salida: Es la parte trasera del ala y la ltima en contacto con la corriente de aire.Extrads: Parte superior del ala, es la parte en donde ms flujo de aire se concentra.Intrads: Parte inferior del ala, la parte del ala en donde menor cantidad de flujo de aire hay.ngulo de ataque: Es el ngulo que forma la cuerda con la corriente de aireEspesor Mximo: Es la mxima distancia entre el extrads y el intrads.Fig. 1 Partes del perfil aerodinmico

1.2 Ala. Definicin.Es la parte estructural del avin encargada de generar la sustentacin Introduccin.La diferencia de curvatura entre el extrads y el intrads hace que el aire tenga que ir ms rpido por el extrads que por el intrads. Esta aceleracin de la corriente de aire provoca una depresin en el extrads que es la fuerza vertical (Sustentacin) que vence la atraccin de la gravedad.Hay varios factores que influyen en la Sustentacin que genera un ala: caractersticas fsicas del ala, la velocidad de la corriente de aire, la densidad del aire y el ngulo de ataque.

Fig. 2 Fuerzas que actan sobre el avin

Formas de las alasLas alas pueden tener las formas ms variadas: estrechndose hacia los extremos (tapered) o recta (straight), en la parte del borde de ataque (leading) o del borde de salida (trailing), o cualquier combinacin de estas; en forma de delta, en flecha, etc. Si la velocidad es el factor principal, un ala "tapered" es ms eficiente que una rectangular (straight) porque produce menos resistencia; pero un ala "tapered" tiene peores caractersticas en la prdida salvo que tenga torsin (ngulo de incidencia decreciente hacia el borde del ala)

Fig. 3 Diferentes formas de las alas

Partes estructurales del ala.Los componentes del ala se clasifican de acuerdo con la funcin de cada componente y se les denomina principales o secundarios.Componentes principales: Vigas Costillas Revestimientos HerrajesComponentes secundarios: Falsas costillas Largueros RefuerzosCOMPONENTES PRINCIPALESViga (Spar): Viga que se extiende a lo largo del ala. Es el componente principal de soporte de la estructura. Soporta los esfuerzos de flexin y torsin. Las fuerzas que soporta el ala varan a lo largo de la envergadura, por lo cual los largueros pueden ser de seccin variable lo largo de esta, con lo que se consigue disminuir el peso estructuralLa forma de la seccin transversal de la viga: Depende de la forma del perfil, su altura, la resistencia exigida y el material empleado. Las secciones de vigas ms comunes: Seccin rectangular Seccin I Seccin Canal Seccin doble T Seccin I compuesta

Fig. 3 Diferentes Secciones transversales de la viga

Costillas (Rib): Miembro delantero y posterior de la estructura del ala da forma al perfil y transmite la carga del revestimiento o piel a las vigas. Son estructuras que dan resistencia a latorsinal ala. Se encuentran intercaladas de manera (ms o menos) perpendicular a los largueros. Suelen estar vaciadas para eliminar material no necesario y aligerar peso.a) Funciones principales:b) Mantener la forma del perfilc) Transmitir las fuerzas aerodinmicas a las vigasd) Distribuir las cargas a las vigase) Estabilizar el ala contra las tensionesf) Cerrar las celdasg) Mantener la separacin de los larguerosh) Proporcionar puntos de unin a otros componentes

Clasificacin por su funcin 1. Costillas de compresin: Transmite y distribuyen equitativamente los esfuerzos en la viga2. Costillas maestras: Mantienen distanciados las vigas y dan rigidez a los elementos3. Costillas comunes: Transmiten las fuerzas interiores a las vigas4. Falsas costillas: Para mantener la forma de la piel

Partes de la costilla:i. Nervio superiorii. Nervio inferioriii. Alma

Fig. 3 Diferentes costillas que conforman el ala

Revestimiento: Es la parte externa del ala, cuya misin es resistiresfuerzos cortantesy aislar el combustible del medio ambiente. Es lo que vemos como "la piel del ala".

COMPONENTES SECUNDARIOSLargueros (Stringer): Elemento estructural delala (viga principal), que atraviesa toda la envergadura de la misma en direccin perpendicular al fuselaje en caso de alas rectas o en dependencia del flechadoLarguerillos: Son pequeas vigas (ms pequeas que los largueros) que se sitan entre costillas para evitar elpandeolocal del revestimiento. Pueden estar integrados en el propio revestimiento formando una sola pieza. Aparte de todos estos componentes estructurales internos, el ala lleva los elementos que componen lacinemticade los dispositivos hipersustentadores.Fig. 3 Estructura de la semi-ala.

1.3 Consideraciones preliminares.Se realizara el bosquejo de un perfil con una cuerda de 12 cm, el prototipo deber tener una envergadura de 18 y se le deber fijar una varilla de acero en su centroide.

1.4 Procedimiento1.4.1 Diseo y eleccin del perfilPara el diseo del perfil se traz en una hoja diferentes perfiles de los cuales se eligi uno para ser el perfil con el que se trabajara. No se utiliz algn perfil existente.Fig.4 Trazo de diferentes perfiles

1.4.2 Modelado de la semi-ala en solidworksEn el programa de Solidworks existen varios mdulos los cuales son modelados, superficies, dibujo, anlisis. Para nuestro trabajo solo se utiliz modelado, en el cual se realiz el modelo tridimensional.Lo primero que se realizo es en una hoja se traz el perfil y se vectorizo para obtener los puntos, los cuales introducimos a solidworks y mediante la herramienta de curvas spline, se unen los puntos del perfil para formar la superficie, procedimos a darle volumen, realizndose con la funcin de extruir dndole el espesor de 0.354 in. Se ensamblaron varios perfiles hasta obtener una longitud de 18 in. Fig. 5 Vista explosiva del ensamble de la semi-ala rectangular prototipo

Este software solo lo utilizamos para darnos cuenta cmo quedara nuestra semi- ala, para poderlo manufacturar.Fig. 6 Ensamble del modelo a escala

1.4.3 Desarrollo del modelo para experimentacinDentro de nuestro objetivo esta construir un prototipo, el cual lo realizamos con un material muy barato el cual fue con MDF. Los perfiles se realizaron mediante una cortadora a lser, lo cual fue muy rpido.

Fig. 7 Perfiles manufacturados mediante cortadora a laser

Se procede a la construccin del modelo, lo primero que se realizo es pegar todos los perfiles y los alineamos mediante dos barras rectangulares de MDF.Fig. 8 Construccin del modelo a escala

Todo esto se realiz pegando los perfiles con pegamento 5000 con lo cual aseguramos que no se desprendiera ningn perfil quedando una semi-ala slida.Fig. 9 Ensamble real del modelo

Debido al procedimiento de corte a laser y al ser MDF el material utilizado, este se quem, y para retirar esto y el exceso de pegamento se lijo.Fig. 10 Retiro del exceso de pegamento e imperfecciones

Este paso se realiz retirar cualquier imperfeccin que pueda afectar al anlisis aerodinmico, obteniendo una superficie sin lisa.Fig. 11 Semi- ala rectangular terminada

Se manufacturo una barra de acero inoxidable para sostener la semi-ala rectangular y poder realizar el anlisis aerodinmico en el tnel de viento, con dicho anlisis obtendremos las curvas de vs , vs , y la polar.

1.5 Clculos del perfilPara hacer ms fcil el estudio de este perfil y los siguientes clculos se decidi dividir el perfil experimental en seis secciones de los cuales se ha obtenido la ecuacin representativa de la coleccin de datos por el mtodo de regresin polinmica de orden 2 y 3.

Perfil Fig. 12 Perfil diseado

1.5.1 Calculo del rea del perfilEl rea del perfil est dada por la suma del rea de las 6 secciones.AREA DE EXTRADOS.

SECCION 1.

SECCION 2.

SECCION 3.

rea extrads = abs (seccin 1+seccin 2+seccin 3) =

AREA DEL INTRADOS

SECCION 4.

SECCION 5.

SECCION 6.

rea intrads = abs (seccin 4+seccin 5+seccin 6) = rea del Perfil = rea extrads + rea intrads = 15.407

1.5.2 Centroide del perfil.

Para el calculo del Centroide debido a que se dividi en ocho partes, la posicin del Centroide ser:

Donde: xn= posicin del Centroide con respecto al eje x de la seccin.An= rea de la seccin.A = rea total de la figura.

Donde: xn= posicin del Centroide con respecto al eje y de la seccin.An= rea de la seccin.A = rea total de la figura.

POSICION DEL CENTROIDE EN EL EJE Y.

La posicin del Centroide con respecto al eje y de cada seccin se obtiene con la siguiente ecuacin:

EXTRADOSSECCION 1.

SECCION 2.

SECCION 3.

INTRADOSSECCION 4.

SECCION 5.

SECCION 6.

POSICION DEL CENTROIDE RESPECTO AL EJE X.

El calculo del Centroide con respecto al eje x de cada seccin esta dado por la siguiente ecuacion: EXTRADOSSECCION 1.

SECCION 2.

SECCION 3.

INTRADOS

SECCION 4.

SECCION 5.

SECCION 6.

SeccinreaCentroide (x)Centroide (y)rea*xrea*y

Extrads

11.528320.982650.5111971.501810.781273

25.78163.97970.589223.0093.40652

31.29837.758150.2643210.07290.34318

TOTAL8.608234.58374.53097

CENTRIODE EN EL EXTRADOS:Y=0.52635X=4.01749

Intrads

4-1.43412-0.98260.4611051.40924-0.66128

5-4.57113-3.97970.46520218.192-2.1265

6-0.793411-7.75810.2086316.1554-0.16553

TOTAL-6.7986625.75662.95331

CENTROIDE EN EL INTRADOS:Y=-0.434396X=3.78848

CENTROIDE Y=0.091955X=3.9029

1.5.3 MOMENTOS DE INERCIA.MOMENTO DE INERCIA EN Y.

SECCION 1. Extrados

SECCION 2.

SECCION 3.

SECCION 4.Intrados

SECCION 5.

SECCION 6.

MOMENTO DE INERCIA EN X.

SECCION 1. Extrados

SECCION 2.

SECCION 3.

SECCION 4.Intrados

SECCION 5.

SECCION 6.

MOMENTOS ESTATICOS.MOMENTO ESTATICO X.

SECCION 1. Extrados

SECCION 2.

SECCION 3.

SECCION 4.Intrados

SECCION 5.

SECCION 6.

MOMENTO ESTATICO EN Y.

SECCION 1. Extrados

SECCION 2.

SECCION 3.

SECCION 4.Intrados

SECCION 5.

SECCION 6.

1.5.4 RESUMEN DE CALCULOS.RESULTADOS

rea del perfil

Cancroide del perfil en X3.90299

Cancroide del perfil en Y

Momento de inercia en el eje x (Ix)

Momento de inercia en el eje y (Iy)

Momento Esttico X

Momento Esttico Y

COMPROBACIN DE RESULTADOS MEDIANTE EL SOFWARE ERA SOFT 3.2 (SECCIONES)INTRADOS EXTRADOS

Resultados

ANLISIS AERODINMICO DEL PERFILPara el anlisis aerodinmico del perfil utilizamos el software xflr5

Los puntos del perfil deben de exportarse al programa con la extensin (.dat)

Colocamos en las tablas los datos correspondientes al perfil

Resultados del anlisisPolar Auxiliar o de ala limpia

Curva de Sustentacin

Curva de Finesa

Curva de Resistencia

3D ala

Calculo de CAM del alaLa cuerda aerodinmica media se difinida como La cuerda de un perfil imaginario sobre la cual se aplican vectores de fuerzas y momentos idnticos a los que se generan en el ala o alas reales durante todo su rango de vuelo

CAM = Cuerda aerodinmica media

Cuerda de raz (en eje de simetra del ala) = 0.3 mCuerda en las puntas del ala = 0.1 m

Figura () Vista superior de la semialaCalculo del alargamiento Donde:A = Alargamiento-b = EnvergaduraCAM = Cuerda aerodinmica media

CONSTRUCCIN DE LA SEMI-ALA Se realiz el diseo de la semi- ala, la cual es trapezoidal, se dise con dos vigas en I una delantera y una trasera, 16 costillas y el soporte del motor el cual estar soportada en las vigas. Todas las piezas se cortaron en lser La imagen muestra las vigas en I delanteras y traseras

Se colocaron las secciones de las costillas del borde de salida Se colocaron las secciones de las costillas del borde de entrada

Se colocaron las varillas en el borde de ataque y el borde de salida de las costillas.

Vista frontal de la semi- ala, sin piel y soporte del motor

Vista superior de la semi- ala, sin piel y soporte del motor

Se coloc en la semi-ala los soportes del motor

Los soportes estn soportadas en las vigas delantera y trasera

ANLISIS EN ANSYS

El diseo se realiz en ANSYS Se dise un semi-ala trapezoidal de 1 metro de longitud

La semi-ala cuenta con dos vigas en I

Se colocaron 16 costillas a diferentes distancias; 5 costillas separadas entre si con una distancia de 5 cm enseguida 9 costillas a una distancia de 7 cm y por ultimo 2 a una distancia de 8.5

La costilla se dise con dosAligeramientos

Se realiz el mayado de todos los , elementos de la semi-ala

Se realiz el empotre del lado izquierdo del ala para poder aplicar las fuerzas

Se aplicaron las cargas a lo largo de la semi-ala

Solucin

CONCLUSIONESESCOBAR MARTINEZ CORALZUIGA BOCANEGRA DANIELLOMAS RODRIGUEZ RENE G.

BIBLIOGRAFA[][2] http://www.manualvuelo.com/PBV/PBV14.html[3]Tesis; Analisis Numerico y experimental de la respuesta dinmica de una semiala, Fidel Agustin Sangins Lezama, 2010[4]CAM o CGM en un Avin, Jose A. Correa A., Tiburcio Fernandez R., Miguel A. Mejia R., 2012