Analisis estructural libro, Ejercicios de Diseño

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECÁNICA Y

ELÉCTRICA

ESIME AZCAPOTZALCO

ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y OPTIMIZACIÓN DEL

TREN DE ATERRIZAJE TRASERO DE UNA

AVIONETA

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO

MECÁNICO

PRESENTA:

JOSÉ ARMANDO VILLARROEL ESTRADA

MÉXICO, D. F. JUNIO 2013

IPN-ESIME RESUMEN

RESUMEN

La sustentación necesaria para equilibrar el peso del aeroplano y permitir el vuelo sólo se obtiene cuando aquél ha adquirido la velocidad relativa con el aire, capaz de originar esta sustentación; para que el aeroplano, en tierra y reposo, pueda volar es necesario, que adquiera esta velocidad corriendo por el suelo, bien lanzado o por efecto de su propio propulsor, que es el procedimiento comúnmente empleado., por ello el aeroplano hay que dotarlo de un montaje que le permita correr por tierra con la menor resistencia posible, tanto de razonamientos como por parte del aire para que en el menor recorrido pueda alcanzar la velocidad necesaria. Al mismo tiempo, para que el aeroplano pueda pasar desde su velocidad de vuelo hasta el reposo en tierra en el menor espacio posible, es necesario, también dotarle de un sistema que le permita rodar, pero frenando su movimiento cuanto sea posible, con la seguridad del aterrizaje.

En este proyecto se analizaran los elementos mecánicos del tren de aterrizaje de una avioneta (CH 601 XL Zodiac) sujetos a cargas con el fin de determinar los factores de concentración de esfuerzos, estos esfuerzos se analizarán mediante métodos tradicionales los cuales se muestran en el capítulo III, y también se analizarán mediante métodos numéricos en este caso por medio del software ANSYS los cuales se muestran en el capítulo IV.

Finalmente se realizara la comparación de los resultados teóricos con los computacionales (software ANSYS) la cual se realiza en el capítulo IV punto 4.6, al realizar esta comparación obtendremos una visión de las deformaciones que se generan sobre el tren de aterrizaje al aterrizar, gracias a estos análisis se podrá mejorar y optimizar el diseño del tren de aterrizaje.

IPN-ESIME INDICE

INDICE

IPN-ESIME

1. MARCO TEÓRICO

1.1 Reseña histórica sobre el diseño de trenes de aterrizaje.

Desde los 225 kilogramos del Flyer y de los hermanos Wright [1] a las 580 t previstas para el Airobus A3XX, el tren de aterrizaje se ha acomodado a las necesidades de aeronaves cada vez de mayor velocidad y peso.

En los primeros aviones fue imposible conectar las estructuras del tren de aterrizaje a las alas debido a la fragilidad estructural de las mismas, de tal modo que durante mucho tiempo imperó el llamado “tren en uve”, con tren de aterrizaje anclado en alguna parte de la estructura del motor, única zona con resistencia suficiente para acoger el tren. Cuando se trataba de poli-motores se hacía lo mismo, se instalaba el tren debajo de las bancadas de los motores.

Los antiguos aviones monomotor con el tren en “uve” aterrizaban en una vía muy estrecha, lo cual complicaba la maniobra en tierra del avión y más importante estabilidad de rodadura durante el despegue y aterrizaje. Todos los aviones de la I Guerra Mundial tenían este tipo de tren, sin frenos y con sistemas muy primitivos de amortiguación, hechos de cordones elásticos. La “uve” del tren admitía m sentido lateral de tal modo que las roturas estaban al orden del día.

La velocidad vertical de contacto con el suelo típica en la época era de 4 o 5 m/s.

Los diseñadores del avión de los años 20 sabían que la reducción de la fricción en u aeroplano en vuelo era importante para mejorar la velocidad y eficacia de combustible, así como maniobrabilidad y controlabilidad.

En 1927, el comité consultivo nacional para la aeronáutica (NACA)[2], abrió un túnel nuevo de la investigación del propulso conmemorativo de sangley en Virginia. El PRT era un túnel de viento muy grande por el tiempo, con un diámetro de 20pies (6.1 metros). Fue diseñado para permitir la prueba de un fuselaje entero del aeroplano con el simplemente parte de un aeroplano o de un modelo de la escala. Los ingenieros aeronáuticos de NACA sospecharon que el tren de aterrizaje de avión contribuyó a mucha de la fricción de un aeroplano, y el PRT era probara esto.

ESIME CAPÍTULO 1. MARCO TEÓ

Reseña histórica sobre el diseño de trenes de aterrizaje.

Desde los 225 kilogramos del Flyer y de los hermanos Wright [1] a las 580 t previstas para el Airobus A3XX, el tren de aterrizaje se ha acomodado a las necesidades de aeronaves cada vez de mayor velocidad y peso.

En los primeros aviones fue imposible conectar las estructuras del tren de aterrizaje a las ragilidad estructural de las mismas, de tal modo que durante mucho tiempo imperó el llamado “tren en uve”, con tren de aterrizaje anclado en alguna parte de la estructura del motor, única zona con resistencia suficiente para acoger el tren. Cuando se motores se hacía lo mismo, se instalaba el tren debajo de las bancadas de

Los antiguos aviones monomotor con el tren en “uve” aterrizaban en una vía muy estrecha, lo cual complicaba la maniobra en tierra del avión y más importante estabilidad de rodadura durante el despegue y aterrizaje. Todos los aviones de la I Guerra Mundial tenían este tipo de tren, sin frenos y con sistemas muy primitivos de amortiguación, hechos de cordones elásticos. La “uve” del tren admitía muy poca carga en sentido lateral de tal modo que las roturas estaban al orden del día.

La velocidad vertical de contacto con el suelo típica en la época era de 4 o 5 m/s.

Los diseñadores del avión de los años 20 sabían que la reducción de la fricción en u aeroplano en vuelo era importante para mejorar la velocidad y eficacia de combustible, así como maniobrabilidad y controlabilidad.

En 1927, el comité consultivo nacional para la aeronáutica (NACA)[2], abrió un túnel nuevo de la investigación del propulsor (PRT)[3] en el laboratorio aeronáutico conmemorativo de sangley en Virginia. El PRT era un túnel de viento muy grande por el tiempo, con un diámetro de 20pies (6.1 metros). Fue diseñado para permitir la prueba de un fuselaje entero del aeroplano con el motor y el propulsor, en comparación con una simplemente parte de un aeroplano o de un modelo de la escala. Los ingenieros aeronáuticos de NACA sospecharon que el tren de aterrizaje de avión contribuyó a mucha de la fricción de un aeroplano, y el PRT era el primer túnel de viento que permitiría que se

CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO

Desde los 225 kilogramos del Flyer y de los hermanos Wright [1] a las 580 toneladas previstas para el Airobus A3XX, el tren de aterrizaje se ha acomodado a las necesidades de

En los primeros aviones fue imposible conectar las estructuras del tren de aterrizaje a las ragilidad estructural de las mismas, de tal modo que durante mucho tiempo imperó el llamado “tren en uve”, con tren de aterrizaje anclado en alguna parte de la estructura del motor, única zona con resistencia suficiente para acoger el tren. Cuando se motores se hacía lo mismo, se instalaba el tren debajo de las bancadas de

Los antiguos aviones monomotor con el tren en “uve” aterrizaban en una vía muy estrecha, lo cual complicaba la maniobra en tierra del avión y más importante, exhibía poca estabilidad de rodadura durante el despegue y aterrizaje. Todos los aviones de la I Guerra Mundial tenían este tipo de tren, sin frenos y con sistemas muy primitivos de uy poca carga en

La velocidad vertical de contacto con el suelo típica en la época era de 4 o 5 m/s.

Los diseñadores del avión de los años 20 sabían que la reducción de la fricción en un aeroplano en vuelo era importante para mejorar la velocidad y eficacia de combustible, así

En 1927, el comité consultivo nacional para la aeronáutica (NACA)[2], abrió un túnel r (PRT)[3] en el laboratorio aeronáutico conmemorativo de sangley en Virginia. El PRT era un túnel de viento muy grande por el tiempo, con un diámetro de 20pies (6.1 metros). Fue diseñado para permitir la prueba de un motor y el propulsor, en comparación con una simplemente parte de un aeroplano o de un modelo de la escala. Los ingenieros aeronáuticos de NACA sospecharon que el tren de aterrizaje de avión contribuyó a mucha el primer túnel de viento que permitiría que se

Las pruebas en el PRT demostraron inmediatamente que el tren de aterrizaje contribuyó hasta 40 por ciento de fricción del fuselaje, que dieron una sacudida eléctrica a investigadores. Revisaron que la reducción de la fricción producida por el tren de aterrizaje perceptiblemente mejoraría el funcionamiento del aeroplano en vuelo.

Figura 1. Avión con Tren de Aterrizaje Fijo

Los ingenieros determinaron que había varias maneras de reducir la fricción del tren de aterrizaje. Los dos métodos más obvios estaban en contraer el tren de aterrizaje dentro del avión o reajustar un tren de aterrizaje fijo de modo que produjera menos fricción mientras que todavía resaltara debajo de un avión.

El contraer el tren de aterrizaje no era totalmente una nueva idea en los años 20. El avión de Wartin, construido en 1917, tenía engranaje retractable. El Dayton Wright RB-1 de 1920 y el Verville Sperry R-3 de engranajes retractable también fueron hechos en 1922. La mayoría de los aeroplanos habían fijado el tren de aterrizaje en el extremo de los puntales del metal porque eran más fáciles de diseña y relativamente ligero.

Al diseñar un avión, los ingenieros establecieron cinco requisitos que estaban en conflicto:

1-funcionamiento

2-peso

3-costo

4-confiabilidad

5-mantenimiento

A medida que las velocidades del avión continuaron aumentando durante los años 30, particularmente mientras que el avión comenzó a alcanzar velocidades de 200 millas por la hora (322 kilómetros por hora), el peso creciente del engranaje retractable llegaron a ser menos importantes que reducir la fricción. Hoy, el avión privado de poca velocidad todavía ha fijado el tren de aterrizaje debido a preocupaciones del costo y del mantenimiento.

Pero virtualmente el avión más grande y más rápido tiene tren de aterrizaje totalmente retractable. Diseñar tal engranaje presenta a ingenieros con un número de problemas, particularmente cómo montarlos en el aeroplano sin afectar otras partes del diseño del avión. Los aviones de pasajeros comerciales grandes como los 747 y Airbus A340 tienen bastante volumen interno de modo que el tren de aterrizaje pueda caber dentro del diámetro del fuselaje.

Figura 3. Avión con Tren de Aterrizaje dentro del diámetro del fuselaje

Éste es un ejemplo de un tren de aterrizaje de triciclo que se encuentre en más nuevos modelos del avión. Este tipo de tren de aterrizaje hace al avión más fácil de dirigir porque el engranaje de nariz es orientable.

Figura 4. Avión con Tren de Aterrizaje de Triciclo

El tren de aterrizaje fijo convencional consiste en dos ruedas adelante del centro de gravedad de la aeronave y de una rueda pequeña de la cola situada en la parte posterior. Esta configuración se apoda el "taildragger."

Figura 5. Avión con Tren de Aterrizaje Convencional

La gamma de Northrop (figura 6), tenía el tren de aterrizaje con las cubiertas aerodinámicas que extendieron abajo del fuselaje con las ruedas que se pegaban hacia fuera del fondo.

Figura 6. Avión A-17 (1930) Gamma de Northrop

1.1.1 Función

La función del tren de aterrizaje es absorber las cargas de aterrizaje, hasta un valor aceptable para las condiciones de resistencia de la estructura del avión.

El tren de aterrizaje se compone de dos conjuntos fundamentales: principal y auxiliar.

a) Tren de aterrizaje Principal

Soporta la mayor parte del peso del avión en tierra. Está constituido por dos conjuntos de una o más ruedas, cada uno a un lado del eje longitudinal del avión.

Además de esta rueda o combinación de ruedas, el tren principal incluye otros mecanismos que cumplen funciones diversas en la operación del tren, tales como amortiguadores, frenos, martinetes hidráulicos, etc.

b) Tren de aterrizaje Auxiliar

Consiste en un conjunto de una o más ruedas, situadas en la proa o en la zona de cola del avión, que completa la función del trípode.

3. Cuando el avión aterriza se puede correr el riesgo que un mal frenado puede hacer capotar o darse vuelta. Entonces cuando aterriza lo hace en dos puntos o sea que tocan los dos montantes delanteros.

El sistema de dirección se realiza por medio del patín de cola comandado por cables o también se puede lograr el cambio de dirección aplicando el freno en uno de los montantes principales y dándole potencia en el caso del bimotor al motor opuesto que se aplicó el freno.

Figura 9. Configuración y Nomenclatura del Tren Convencional

El tren Triciclo: está constituido por dos montantes principales debajo del ala o del fuselaje y un montante en la nariz del avión. El montante de nariz posee un dispositivo de dirección Figura 10. En realidad todos los aviones son triciclos, pero ésta denominación se ha generalizado para los que llevan la tercera rueda en la proa. El tren triciclo tiene la misma misión que el tren convencional, pero, simplifica la técnica del aterrizaje y permite posar el avión en tierra en posición horizontal, eliminando el peligro del capotaje, aún cuando se apliquen los frenos durante el aterrizaje.

La estabilidad que proporciona el tren triciclo en el aterrizaje con viento de cola o viento cruzado, gracias a la posición del centro de gravedad (c.g.) , delante de las ruedas principales, y el recorrido en línea recta en el aterrizaje y decolaje, son las ventajas más importantes. Esta condición es de especial importancia para los aviones que deben aterrizar o decolar en pistas pequeñas, con viento de costado.

Figura 10. Configuración y Nomenclatura del Tren Triciclo

1.1.4 Sistema de dirección del tren de nariz

En libro de Trejo Martínez Luciano (Sistema de Tren de aterrizaje del avión Sabrelender 75A) resalta las generalidades del Tren de Aterrizaje que son:

a) El sistema de dirección del tren de nariz controla la dirección del avión durante el carreteo, despeje y aterrizaje.

b) El sistema es actuado eléctricamente, operado hidráulicamente y controlado mecánicamente con los pedales del timón.

c) El sistema de dirección, en engarzado desde el lado del piloto o desde el lado del copiloto, actuando el botón-interruptor de control de dirección que está en el lado externo del volante de mando.

d) Una vez que el sistema de dirección está engarzado, la dirección es controlada con el movimiento de los pedales.

b) DISTRIBIUDAS: Son las que actúan sin solución de continuidad a lo largo de todo el elemento estructural o parte de él. A la vez se dividen en uniformemente distribuidas y distribuidas no uniformes:

Figura 12. Carga Distribuida

1. UNIFORMEMENTE DISTRIBUIDAS: son aquellas que mantienen un mismo valor en toda su expansión. Ejemplos de ellas son el peso propio de una losa, la presión de agua sobre el fondo de un depósito, o el público en una sala de espectáculos.

Figura 13. Carga Uniformemente Distribuida

2. NO UNIFORMEMENTE DISTRIBUIDAS: son aquellas en las que varía su valor en los distintos puntos de su extensión. Ejemplos de ellas son la acción del viento, una pared de altura variable, o la presión en la pared de un tanque.

Figura 14. Carga No Uniformemente Distribuida

1.2.2 Esfuerzos.

Esfuerzo de describe como la intensidad de la FUERZA interna sobre un plano especifico que pasa por un punto, se representa en N/mm².

En donde:

1 N/mm² = 1MN/m² = 1Mpa

Los esfuerzos cerca de los puntos de aplicación de cargas concentradas pueden alcanzar valores más grandes que el valor promedio del esfuerzo en el elemento, y cuando un elemento estructural contiene una discontinuidad, como un agujero o cambio repentino en su sección transversal, también, pueden ocurrir grandes esfuerzos localizados cerca de la discontinuidad.

En las figuras 15 y 16 se muestra la distribución de esfuerzos en las secciones críticas correspondientes a dos situaciones como las mencionadas. En la figura 15 se ilustra una barra plana con un agujero circular y muestra la distribución de esfuerzos en un corte que pasa a través del centro del agujero. La figura 16 ilustra una barra plana con dos porciones de diferentes anchos conectadas por filetes ; se muestra la distribución de esfuerzos en la parte más angosta de la conexión, donde ocurren los esfuerzos más altos. Los resultados lo obtuvieron en forma experimental por el método foto elástico.

Figura 15 Distribución de esfuerzos cerca de un agujero circular en una barra plana bajo carga axial

Figura 16 Distribución de esfuerzos cerca de los filetes en una barra plana bajo carga axial

Por lo tanto cuando suponemos las fuerzas internas uniformemente distribuidas, se sigue de la estática elemental que la resultante P de las fuerzas internas debe estar aplicadas en el centroide de C de la sección. Esto significa que una distribución uniforme de esfuerzos es posible únicamente si la línea de acción de las cargas concentradas P y P´ pasa por el centroide de la sección considerad. Este tipo de carga se conoce como carga axial centrada que se produce en todos los elementos sujetos a dos fuerzas que encontramos en estructuras conectadas por articulaciones.

b) Esfuerzo Cortante.

La fuerza de cortante o esfuerzo cortante como el esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma mecánico como por ejemplo una viga o un pilar. Este tipo de solicitación formado por tensiones paralelas está directamente asociado a la tensión cortante.

c) Carga Axial y Torsión.

Los esfuerzos combinados no se pueden sumar directamente sus esfuerzos que producen, puesto que debido a la carga axial se generan esfuerzos normales y debido a la torsión se generan esfuerzos cortantes. Para ello el explica que para poder determinar los esfuerzos máximos tanto normales como cortantes se debe trazar una partícula en un punto crítico del elemento resolviéndose mediante circulo de Mohr. Las ecuaciones para calcular los esfuerzos son;

l I

Mx A

σ=^ P^ ________Τ=

d) Cargas Torsión y Flexión.

Estos esfuerzos combinados al analizar los elementos sometidos a torsión se observó que en estos se presentan esfuerzos cortantes, y al analizar los elementos sometidos a flexión se observo que se presentan esfuerzos normales y esfuerzos cortantes.

Para poder analizar este tipo de combinación el recurre nuevamente al trazo de la partícula en donde se localizan los valores máximos de esfuerzo y para resolverlo ya sea mediante el circulo de Mohr o mediante sus ecuaciones.

(^163) Pa. d

M T

π

ζ = (^) y I

M

σ =

Fórmula 1. Carga Axial y Torsión.

Fórmula 2. Carga Torsión y Flexión.

e) Carga axial y Flexión.

Se describe a un cuerpo sometido a una fuerza como se muestra en la figura 17, dicha fuerza se genera debido al principio de superposición, de cargas y efectos.

Figura 17. Cuerpo sometido a una Fuerza

Nota 1. Las cargas aplicadas a una estructura o máquina generalmente se trasmiten a los miembros individuales a través de conexiones que emplean remaches, pernos, seguros, clavos o soldadura.

1.2.4 Elementos de una Estructura.

Los elementos de una estructura deben de aguantar, además de su propio peso, otras fuerzas y cargas exteriores que actúan sobre ellos. Esto ocasiona la aparición de diferentes tipos de esfuerzos en los elementos estructurales, que son:

Tracción. Torsión

Compresión. Cortadura

Flexión

En las figura 18-22 se muestran las diferentes direcciones a la que es sometido un cuerpo.