Trabajo Práctico Nº1 Estructuras Aeroespaciales

Trabajo Práctico Nº1

Estructuras Aeroespaciales

Patran-Nastran

Introducción

En el diseño de aeronaves es muy importante el conocimiento de las cargas a las que se verán sometidas. Cada parte que compone una aeronave se verá afectada por muchas cargas distintas. Además de las cargas obvias, como los momentos de flexión de las alas debido a la sustentación, muchas otras deben ser consideradas como por ejemplo, fuerzas de inercia o fuerzas en el aterrizaje.  Las aeronaves llegan a alcanzar enormes cargas y solicitaciones en su estructura. Un claro ejemplo de ello lo representan los aviones de combate o los aviones acrobáticos que realizan maniobras y acrobacias que pueden hacer que aeronave y piloto se sometan a cargas de hasta doce veces el valor de la gravedad.

El objetivo de esta práctica es calcular la estructura del avión acrobático Su-26(del fabricante Sukhoi), utilizando para ellos los programas de elementos finitos PATRAN y NASTRAN.

Desarrollo

Tomaremos como referencia el modelo proporcionado de la estructura del avión. A la hora de realizar el mallado de la estructura, tomamos 6 nodos por barra para obtener resultados de una exactitud óptima.

[pic 1]

Sobre dicha estructura supondremos que actúan las siguientes masas:

• Motor: 214 Kg
• Elevador: 10 Kg
• Deriva: 10 Kg
• Piloto: 90 Kg
• Tablero e instrumentos: 10 Kg
• Alas y tanque de combustible: 302 Kg
• Comando y accionamientos: 10 Kg
• Tren de aterrizaje: 40 Kg

Cada una de ellas, a la hora de introducirlas en el programa, las repartimos a partes iguales entre los puntos indicados.

El material empleado es un acero de uso aeronáutico AISI 4130, con las siguientes propiedades:

• Densidad: 7890 Kg/[pic 2]
• Tensión de fluencia: 435 MPa
• Tensión de Última: 670 MPa
• Módulo de corte: 80 GPa
• Módulo de Elasticidad: 205 GPa
• Coeficiente de Poisson: 0.290

En nuestro caso, al introducir las propiedades del material en PATRAN, solo introdujimos módulo de elasticidad, coeficiente de Poisson y densidad para evitar errores ya que el programa por sí solo completa el resto.

Se estudiarán tres casos de carga:

• Acrobático positivo: Aceleración  ()[pic 3][pic 4]
• Acrobático negativo: Aceleración  ()[pic 5][pic 6]
• Recto y nivelado: Sustentación, Tracción, Elevador y Tren de aterrizaje.

En el tercer caso, las fuerzas son:

• Motor: 5000 N
• Elevador: 250 N
• Sustentación: 8295 N
• Tren de aterrizaje: 2500 N

Estas, al igual que con las masas, se encuentran distribuidas entre los puntos de aplicación.

 En el caso de la sustentación, también hay que tener en cuenta el valor del momento en el ala por considerar la fuerza aplicada a un cuarto de su envergadura (b=7,80m). Para ello es necesario trasladar la fuerza y el momento al fuselaje.

Los momentos en las alas son . Para la componente en “z” de la fuerza bastará con dividir el valor de la sustentación entre los 8 puntos de aplicación que aparecen en el modelo propuesto. Para la componente de la fuerza en la dirección “y” será necesario realizar los siguientes cálculos, correspondientes a trasladar el momento al fuselaje en forma de fuerza.[pic 7]

                                                                ;[pic 8]

[pic 9]

                                                              ; ;[pic 10][pic 11]

[pic 12]

                                                     ;[pic 13]

De esta manera, obtenemos un valor de 8087,625 N en la dirección “y” y un valor de 1036,875 N en la dirección “z”. El signo, es decir, el sentido de las fuerzas depende de a qué ala nos refiramos. Seguirán el sentido que aparece en el modelo propuesto.

Por último, tenemos que imponer las condiciones de contorno R1 y R2, sobre los puntos indicados en el modelo proporcionado. Estas permiten la rotación y prohíben los desplazamientos en todas las direcciones.

Una vez presentados los datos proporcionados para la realización de la práctica y algunas indicaciones sobre el camino seguido con el programa, pasamos ahora a mostrar los resultados obtenidos y a completar la resolución de la práctica.

Resultados

• Modelo 3D de barras reticuladas empleado.[pic 14]

• Posición del centro de masas y los momentos de inercia de la estructura (tomando origen el centro de masas).

[pic 15]

• Posición del centro de masas y los momentos de inercia de la estructura (tomando origen el centro de masas) teniendo en cuenta las masas.

[pic 16]

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