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Abstract El hombre con el avance de la tecnologa inventa
varios UAVs y mquinas voladoras. stos se pueden utilizar para
diversos fines. La mayor parte de ellos son utilizados ampliamente
para fines de defensa y el resto se utilizan incluso en usos
domsticos. Un Quadcopter, llamado comnmente como
Quadrotor, es un UAV (Unmanned Aerial Vehicle), que es
impulsado y levantado por cuatro rotores. La batera se utiliza
como una fuente de energa para hacer funcionar los motores, con
lo que las hlices giran y hacen levantar el vuelo. Modelar y
analizar son las dos fases importantes e inevitables en la
fabricacin de cualquier componente o estructura de este tipo. En
este trabajo nos concentramos en el diseo y anlisis
aerodinmico de un Quadrotor. El modelado se lleva a cabo
mediante un software avanzado, llamado Solidworks, mientras
que el anlisis de los componentes se realiz utilizando ANSYS
versin 14.5. Los resultados obtenidos se generaron para conocer
el comportamiento en vuelo estable del quadrotor.
Index TermsAircraft propulsion, propellers, Mechanical
Engineering, Fluid Dynamics, Mobile robots, Aerodynamics,
Computer Simulation, Mechatronics, FEA, CAD/CAE
I. NOMENCLATURA
Ansys, aerodinmica, simulacin, SolidWorks, Quadcopter,
cuadricptero.
II. INTRODUCCIN
N multicptero es una aeronave dotada de ms de dos
motores. Los multicpteros usan helices de ngulo de
paso fijo, y cuyo ngulo de paso del rotor no vara conforme
giran las hlices; el control de movimiento del vehculo es
logrado a travs de la variacin de la velocidad relativa de
cada rotor para cambiar el empuje y el torque producido por
cada uno de ellos. Este tipo de vehculo areo no tripulado
(UAV, unnamed aircraft vehicle, por sus siglas en ingls) son
comnmente empleados para propsitos de defensa. Adems
de sus tareas en la defensa, existen muchsimos usos para los
multicpteros, tales como: fotografa area, fumigacin,
respuesta a desastres, investigacin de accidentes,
planificacin de trayectorias, mapeos en tiempo real.
III. QUADROTOR
El modelo dinmico bsico del quadrotor es el punto de
partida de todos los estudios, pero las propiedades
aerodinmicas ms complejas ha sido introducidas por
Un quadrotor o cuadricptero, es un multicptero que es
elevado y propulsado por cuatro motores.
Los quadrotores son clasificados como helicpteros de
rotor, en oposicin a las aeronaves de ala fija, porque su
elevacin es producida por un conjunto de perfiles de ala
giratoria con cuerda estrecha. A diferencia de los helicpteros,
los quadrotores emplean generalmente hlices simtricamente
inclinadas, que pueden ser ajustadas como un grupo, una
propiedad llamada como colectiva, pero no basada
individualmente sobre la posicin de la hlice en el disco del
rotor, el cual es llamado cclico (vase un helicptero). El
control del movimiento es alcanzado con alterar la razn de
inclinamiento as como tambin de la relacin de rotacin de
uno o ms discos, a travs de cambiar su carga de torque y sus
caractersticas de levantamiento/giro.
IV. SOBRE SOLIDWORKS
SolidWorks es un sistema grfico computarizado para el
modelamiento en 3D de distintos diseos mecnicos y
desarrolla tareas relacionadas al diseo y a la manufactura. El
sistema emplea un sistema de modelamiento en 3D como
ncleo principal, y aplica el mtodo de modelado paramtrico
basado en operaciones.
SolidWorks es un sistema de modelado slido parametrizado
basado en operaciones con muchas aplicaciones de diseo y
manufactura. Ensambles, procesamiento, manufactura y otras
disciplinas estn usando sus caractersticas nicas en esas
reas. Para estas funciones de establecer parmetros
(incluyendo no solo la geometra, sino tambin propiedades no
geomtricas) y despus modificar los parmetros, son fciles
de hacer y disear iteraciones muchas veces, para lograr el
desarrollo exitoso de los productos
V. SOBRE ANSYS
ANSYS, Inc. es un software de simulacin de ingeniera
(computer-aided engineering, CAD, por sus siglas en ingls)
desarrollado en su sede al sur de Pittsburgh en Canonsburg,
Pennsylvania, Estados Unidos de Amrica. ANSYS ofrece una
amplia gama de conjuntos de soluciones de simulaciones de
ingeniera que proporciona acceso a prcticamente cualquier
campo de la simulacin de ingeniera que cualquier diseo
requiera. Las herramientas en ANSYS colocan un producto
Anlisis y simulacin CFD (dinmica de fluidos
computacional) de un dispositivo Quadrotor
Rubn Senen Garca Ramrez1 y Adrin Maldonado Garca
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1Profesor Asociado, 2Estudiante, Divisin de Estudios de Posgrado e Investigacin, Instituto Tecnolgico de Puebla
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virtual a travs de distintos procedimientos de prueba
rigurosos tales como el impactar un vehculo en una pared de
ladrillos antes de volverse un objeto fsico.
La plataforma de ANSYS Workbench es el marco sobre el
cual se construye la suite ms amplia y profunda de la
industria de la tecnologa avanzada en simulacin de
ingeniera. Con la conectividad bidireccional CAD, un potente
mallado altamente automatizado, mecanismos de actualizacin
a nivel proyecto, gestin persuasiva de parmetros y
herramientas de optimizacin integradas, la plataforma
ANSYS Workbench ofrece una productividad sin
precedentes, permitiendo el desarrollo del producto mediante
simulacin ( o por sus siglas en ingls, SDPD ,simulation
driven product development).
VI. METODOLOGA
A. Modelando el quadrotor
El modelado del quadrotor el cual es empleado en este
artculo, se hizo bajo el software Solidworks 2013, y consiste
en un ensamblaje de modelos slidos, sobre el cual el anlisis
flujo externo ha sido hecho.
Muchos de los comandos empleados en este artculo fueron
lnea, crculo, elipse, spline, etc. Y los comandos de
operaciones fueron, entre otras, extrusin, revolucin, extruir
corte, espejo, etc. Mientras se est modelando este quadrotor,
se debe tener cuidado de que una manera inapropiada de
modelar el quadrotor, nos puede llevar a superponer la
geometra del modelo. Aqu, se debe observar que dos
entidades geomtricas no se intersecten con otra. Este tipo de
cuidado es necesario en esta etapa, ya que ms adelante,
cuando se est en la etapa de mallado, no se generen grandes
errores y nos pueda resultar en una calidad pobre de mallado.
Fig. 1. Modelado del quadrotor usando SolidWorks 2013
Para un anlisis CFD, el cuerpo debe ser encerrado en un
espacio continuo donde las condiciones de frontera sean
aplicadas. Este cercado alrededor del quadrotor se hizo en
ANSYS Worchbend 14.5 .
Fig. 2. Modelando el espacio continuo para configurar las condiciones de
frontera
B. Mallado del espacio continuo
El mallado del quadrotor se hizo empleando ANSYS CFX.
En este espacio continuo, una vez importado desde ANSYS
Workbench, se divide cada regin 2D en diferentes partes,
tales como entrada de aire, salida de aire, simetra, paredes y el
cuerpo rgido del quadrotor, y las condiciones de mallado
requeridas son aplicadas y el espacio continuo es mallado.
Fig. 3. Mallado del espacio continuo en ANSYS CFX
El volumen del mallado del quadrotor da una malla fina de
0.5 mm, dado que es la parte de mayor importancia del
anlisis, y el resto del espacio continuo nos da un tamao de
malla de 1.5 mm. La diferencia entre los elementos puede
verse en la siguiente figura.
Fig. 4. Diferencia de mallado entre los distintos elementos
Una vez que el mallado del espacio continuo est hecho, es
exportado al mdulo de ANSYS CFX, donde el anlisis de
flujo sobre este quadrotor es hecho.
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C. Simulacin del espacio continuo
La simulacin de este espacio continuo est hecha en
ANSYS CFX 14.5. En este mdulo, se inicializa el mallado
del espacio continuo y una vez que el software aprueba, los
modelos, materiales, y condiciones de frontera estn
configuradas.
1. Modelo
El modelo usado para este tipo de simulacin es el modelo
de turbulencia k-. Este modelo es un modelo de dos ecuaciones en el cual una ecuacin corresponde a la energa
cintica de turbulencia (k), y la otra ecuacin es la velocidad
de disipacin especfica ().
2. Materiales
El fluido de trabajo en esta simulacin es aire a 25C, y es
considerado para actuar sobre el quadrotor a una velocidad de
10 m/s, a una presin de 1 atm, y la densidad considerada para
el quadrotor, dado los materiales con los cuales ser
construido, de 1300 kg/m3.
3. Condiciones de Frontera
La importancia de las condiciones de frontera en un Anlisis
Externo de Fluido, es el nmero de Mach, o las velocidades a
la entrada del espacio continuo, y la presin a la salida del
mismo. En este caso, debido a las condiciones del quadrotor,
se configura un vuelo subsnico.
La condicin a la salida del mismo, est dada por la presin
y es un valor dado de 0 atm. El resto de las caras del espacio
continuo son configuradas como paredes, lo cual significa
que esas caras estn bajo condiciones de no deslizamiento,
ya que la velocidad es cero en esas superficies. Esta condicin
de no-deslizamiento, significa que las condiciones de flujo
no aplican fuera de estas paredes y adyacentes a estas paredes.
4. Solucin
Una vez que las condiciones de frontera son configuradas,
los mtodos de solucin y control son configurados para esta
simulacin. El mtodo de solucin para esta simulacin fue el
solucionador acoplado. Y para los controles de solucin el
nmero de courant es fijado en 0.25 y los factores de
relajacin para el momento y presin son configurados a 0.75
y para la energa cintica de turbulencia, la velocidad de
disipacin y la viscosidad turbulenta es ajustada a 0.8.
VII. RESULTADOS Y DISCUSIONES
Los resultados grficos esperados se fijan a los residuos, el
coeficiente de levantamiento, y del coeficiente de arrastre.
Los grficos vectoriales se trazan para ver la distribucin de la
velocidad a lo largo del espacio continuo, como se observa en
la figura 5.
A) Grficos
1. Grficos Residuales
Fig. 5 Grfico de residuales en ANSYS CFX 14.5
Fig. 6 Grfico de turbulencia en ANSYS CFX 14.5
Se puede observar que la turbulencia se mantiene estable
despus de 25 iteraciones.
2. Grficos de Contorno
Fig. 7 Grfico de velocidades en ANSYS CFX 14.5
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Se puede observar que las variaciones en la velocidad se
muestran en la cauda, mientras que en el resto del espacio
continuo, permanece constante. Esto es debido a la curvatura
del quadrotor, y que en el resto del espacio continuo no tiene
ninguna forma y se asume que est llena con aire.
VIII. CONCLUSIN
Despus de conducir el anlisis de simulacin aerodinmica
en el quadrotor, y sabiendo que no se tienen datos
mencionados a su desempeo aerodinmico, podemos anotar
que es un buen comienzo para el desarrollo de su estabilidad
en velocidades subsnicas. Y ya que es por lo que el propsito
de este proyecto se ha cumplido.
IX. TRABAJOS A FUTURO
Los trabajos futuros en esta rea, yacen en el hecho de que
el anlisis aerodinmico de un quadrotor es un campo vasto de
investigacin y desarrollo. As, se puede observar que la I&D
se puede realizar en el campo de la aero-acstica,
interacciones entre el fluido y la estructura, etc. Para este
trabajo, el flujo ha sido asumido para ser incompresible y para
un ngulo de ataque cero. As, la investigacin podra hacerse
para fluido compresible y varios valores de ngulos de ataque.
X. REFERENCIAS
[1] R. M. J. G. P. POUNDS, TOWARDS DYNAMICALLY-
FAVOURABLE QUAD-ROTOR AERIAL ROBOTS, CANBERRA,
AUSTRALIA: AUSTRALIAN NATIONAL UNIVERSITY, 2010.
[2] E.-K. E. Y. H. HSSEIN, QUADROTOR DESIGN, SIMULATION AND
IMPLEMENTATION, EL CAIRO, EGYPT: EGYPTIAN ARMED
FORCE, 2011.
[3] D. L. Y. L. G. CARRILLO, MODELING THE QUAD-ROTOR MINI-
ROTORCRAFT, DE QUAD ROTORCRAFT CONTROL, LONDON:
SPRINGER, 2010.
[4] H. W. Y. T. HUANG, AERODYNAMICS AND CONTROL OF
AUTONOMUS QUADROTOR HELICOPTERS IN AGRESSIVE
MANEUVERING, USA: STANFORD UNIVERSITY, 2009.
[5] R. Y. P. P.POUNDS, MODELLING AND CONTROL OF A LARGE
QUADROTOR ROBOT, LONDON: ELSIEVER, 2010.
[6] C. RODRIGUEZ, CFD ANALYSIS ON THE MAIN-ROTOR BLADE
OF A SCALE HELICOPTER MODEL USING OVERSET,
STOCKHOLM, SWEDEN, 2012.
[7] R. S. A. G. B. Y. NAIDOO, QUAD-ROTOR UNMANNED AERIAL
VEHICLE HELICOPTER MODELLING, UNIVERSITY OF
KWAZULU-NATAL, 2011.
[8] D. M. A. K. B. K. V. CAITLIN POWERS, INFLUENCE OF
AERODYNAMICS AND PROXIMITY EFFECTS IN QUADROTOR,
USA: UNIVERSITY OF PENNSYLVANIA, 2009.
[9] R. M. M. BANGURA, (NONLINEAR DYNAMIC MODELING FOR
HIGH PERFORMANCE CONTROL OF A QUADROTOR,
CANBERRA, AUSTRALIA: AUSTRALIAN NATIONAL
UNIVERSITY, 2010.
[10] M. S. P. BRISTEAU, THE ROLE OF PROPELLER AERODYNAMICS
IN THE MODEL OF A QUADROTOR UAV, BUDAPEST,
HUNGARY: PROCEEDINGS OF THE EUROPEAN CONTROL
CONFERENCE, 2009.
[11] D. R. B. Y. A. M. D. P. E. POUNDS, STABILITY OF SMALL-SCALE
UAV HELICOPTERS AND QUADROTORS, USA: YALE
UNIVERSITY, 2012.