Remodelado y mejora del diseño de la aeronave de alas giratorias modelo CH-47 CHINOOK, mediante el software Catia V5 y recreación virtual

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Aeronáutica Remodelado y mejora del diseño de la aeronave de alas giratorias modelo CH-47 CHINOOK, mediante el software Catia V5 y recreación virtual. Autor: Jose María García Portero Tutor: Francisco Lucas García Dpto. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Aeronáutica Remodelado y mejora del diseño de la aeronave de alas giratorias modelo CH-47 CHINOOK, mediante el software Catia V5 y recreación virtual. Autor: Jose María García Portero Tutor: Francisco Lucas García Profesor Asociado Dpto. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 Trabajo Fin de Máster: Remodelado y mejora del diseño de la aeronave de alas giratorias modelo CH-47 CHINOOK, mediante el software Catia V5 y recreación virtual. Autor: Jose María García Portero Tutor: Francisco Lucas García El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos En primer lugar, me gustaría agradecer este trabajo a mi familia, quienes me han ayudado y motivado durante todos estos largos años, desde el comienzo del grado hasta la finalización del máster. Ha sido un sacrificio en tiempo y dedicación que han padecido tanto mi familia como mis amigos Dar las gracias a mi tutor, Francisco Lucas, por su paciencia y por haber confiado en mi. Por último, a todos aquellos que han aportado un granito de arena a lo largo de todos estos largos años, a quienes agradezco haberme ayudado para conseguir mi objetivo de verme finalmente como Ingeniero Aeronáutico, un camino que ha sido arduo y difícil pero muy satisfactorio. Jose María García Portero Máster en Ingeniería Aeronáutica Sevilla, 2022 I Resumen El Chinook es uno de los helicópteros militares más grandes que se encuentran en activo actualmente. Símbolo del poderío militar del ejercito estadounidense y posteriormente utilizado por otros países como el ejercito de tierra español, el ejercito japones, inglés... El objetivo principal de este trabajo es la continuación de la modelización en 3D de esta aeronave. Para ello se seguirá usando como herramienta de diseño el software CATIA. Tomando como punto de partida el último trabajo, se corregirán los fallos y se seguirá con una actualización y mejora, siempre buscando el detalle de aquellas partes que sean factibles. Finalmente se realizara una maqueta física (impresión 3D) haciendo uso de una impresora 3D. La memoria comenzará dando un pequeño recordatorio de este helicóptero, el trasfondo que hay detrás de esta aeronave así como las distintas herramientas utilizadas y las decisiones tomadas para poder obtener un modelo realista del helicóptero. III XÍndice 5 Conclusiones 59 Bibliografía 61 Índice de Figuras 1.1 Boeing CH-47 Chinook 1 1.2 Modelos 2 1.3 Modelos 3 1.4 Modelos 3 2.1 Vistas de la aeronave en Sketch Tracer 5 2.2 Fuselaje en Imagine & Shape 6 2.3 Modelo final: Chinook 7 2.4 Ganchos de transporte 7 2.5 Compuerta inferior 7 3.1 Módulos CATIA 9 3.2 Fuselaje en Imagine & Shape 10 3.3 Remodelado fuselaje superior 11 3.4 Sistema de transmisión de potencia 11 3.5 Transmisiones del sistema 12 3.6 Ejes del sistema de transmisión de potencia 13 3.7 Ejes de potencia 13 3.8 Distribución del sistema de ejes 14 3.9 Modelado del sistema de transmisión de potencia 14 3.10 Modelado con el sistema de potencia 14 3.11 Detalles internos del eje principal 15 3.12 Módulos CATIA 15 3.13 Vista explosionada del avión 16 3.14 Mecanismos 17 3.15 Mecanismo delantero 17 3.16 Mecanismo trasero 17 3.17 Movimiento hélices 18 3.18 Distribución de cuadernas 19 3.19 Distribución de cuadernas 19 3.20 Distribución de los planos de las diferentes cuadernas 21 3.21 Disección de las distintas partes del fuselaje 21 3.22 Distribución de intersecciones en el fuselaje 22 3.23 Distribución de intersecciones en el fuselaje 22 3.24 FR-51.75; FR-70.62; FR-95 23 3.25 Distribución elementos Cockpit 24 3.26 Distribución secciones Cockpit 24 3.27 Transmisión delantera en el Cockpit 25 3.28 Cuadernas Cockpit 25 3.29 Detalle de las cuadernas del Cockpit 26 3.30 Cargo 27 XI XII Índice de Figuras 3.31 Distribución secciones Cargo 28 3.32 Rescue door upper/lower 28 3.33 Cuadernas Cargo 29 3.34 Detalles de las cuadernas del cargo 30 3.35 Cuadernas del Cargo con eje delantero 30 3.36 FR-180/220/260/300/380/420 31 3.37 Cuadernas del Cargo 31 3.38 Detalle cuadernas del Cargo 32 3.39 Distribución secciones Cola 32 3.40 Distribución intersecciones en la Cola 33 3.41 FR-520 33 3.42 FR-482 34 3.43 Cuadernas Cola 35 3.44 FR-594 36 3.45 Detalle de las cuadernas de la Cola 36 3.46 Cuadernas de la Cola con el sistema de transmisión de potencia 37 3.47 Secciones de las distintas cuadernas 37 3.48 Renderizado de las distintas cuadernas 38 3.49 Detalles de las distintas cuadernas con Render 38 3.50 Vista general frontal de las cuadernas 38 3.51 Vista general trasera de las cuadernas 39 3.52 Cuadernas en color amarillo 39 3.53 Fuselaje rotor trasero 40 3.54 Estructura interna, vista lateral izquierda 41 3.55 Estructura interna, vista lateral derecha 41 3.56 Distribución secciones de larguerillos 43 3.57 Distribución secciones y splines de larguerillos 43 3.58 Distribución de larguerillos 43 3.59 Detalle de los larguerillos 44 3.60 Conjunto larguero-larguerillos-cuadernas 45 3.61 Detalle de los larguerillos 45 3.62 Estructura interna - vista lateral izquierda 46 3.63 Estructura interna - vista lateral derecha 47 3.64 Detalle estructura interna y el sistema de transmisión en Render 48 3.65 Detalle estructura interna con sistema de propulsión y transmisión 49 3.66 Modelo final estructura interna 49 3.67 Modelo final estructura interna 49 4.1 Vista explosionada del avión 51 4.2 Ejemplo impresión 3D 52 4.3 PRUSA i3 MK3s 54 4.4 Primer prototipo del fuselaje 55 4.5 Captura laminado en PrusaSplice 56 4.6 Primer prototipo - vista lateral 56 4.7 Primer prototipo - vista alzado 56 4.8 Modelo final en impresión 3D 57 4.9 Modelo final - vista lateral 57 4.10 Modelo final - vista alzado 58 4.11 Impresión motores 58 Índice de Tablas 2.1 Parámetros geométricos Boeing CH-47D 6 3.1 Distribución geométrica de las principales cuadernas 20 3.2 Distribución geométrica de las cuadernas secundarias 20 XIII 1 Introducción A modo resumen y sin entrar mucho en detalle, para comenzar se hace una pequeña introducción para recordar la maestría de esta aeronave. El Boeing CH-47 Chinook es un helicóptero de transporte de cargas pesadas, está formado por dos rotores en tándem y una doble turbina. Diseñado por Boeing Vertol a principios de los años 60, empresa conocida actualmente como Boeing Integrated Defense Systems. Posee una velocidad máxima de 315 km/h, más rápido que los helicópteros de ataque de aquellos años, similar al C-130 Hércules y al UH-1 Iroquois. Hoy en día todavía continua produciéndose y en servicio contando con mas de 1179 ejemplares fabricados hasta la fecha. El Chinook ha sido exportado a dieciséis países. Aunque algunas naciones utilizan helicópteros Figura 1.1 Boeing CH-47 Chinook. más grandes, como el Mil Mi-26 ruso, el Chinook continúa siendo el helicóptero de carga más pesado usado por sus principales operadores: el Ejército de los Estados Unidos y la Real Fuerza Aérea. 1.1 Origen Chinook El Chinook se trata de un helicóptero que a pesar de su gran tamaño y tener dos rotores en tandem, al escuchar la palabra helicóptero no es esta aeronave la que se nos viene a la cabeza. Sin embargo, un helicóptero no es más que una aeronave que es sustentada y propulsada por uno o más rotores horizontales, cada uno formado por dos o más aspas y su gran diferencia con los aviones es que estos son aeronaves de ala giratorias ya que 1 2Capítulo 1. Introducción la sustentación la crean con las palas al rotar alrededor de un eje vertical. 1.1.1 Inicios El origen de este helicóptero se remonta a finales de 1956, cuando el ejército de los Estados Unidos pretendía reemplazar el helicóptero de carga CH-37 Mojave por un nuevo modelo propulsado. Gran parte del ejercito pedía que el nuevo helicóptero debía ser de transporte táctico con capacidad de transportar soldados, mientras que otra parte quería un aeronave grande con capacidad de transporte de artillería, naciendo así el primer prototipo de este helicóptero conocido como YHC-1A. Sin embargo, el YHC-1A fue considerado por la mayoría de los usuarios del Ejército como demasiado pesado para misiones de asalto y demasiado ligero para tareas de transporte. Se encargó un modelo más grande bajo la designación HC-1B. En 1962, el HC-1B fue renombrado CH-47A bajo el nuevo sistema de designación de aeronaves de los tres servicios que entró en vigor ese mismo año (Company H, 4th Battalion, 7th Aviation Regiment). El sobrenombre ‘Chinook’ hacía referencia al pueblo Chinook nativo del Pacífico Noroeste estadounidense. El Chinook está propulsado por dos motores turboeje, montados a ambos lados de la sección trasera del fuselaje y conectados a los rotores por ejes de transmisión. Los rotores contrarrotativos eliminan la necesidad de un rotor vertical antipar, permitiendo que toda la potencia de los motores sea usada para la sustentación y el empuje de la aeronave. La posibilidad de ajustar la carga entre cualquiera de los rotores hace que el aparato sea menos sensible a cambios en el centro de gravedad, una característica importante en el papel de transporte de carga. Si uno de los motores falla, el otro puede mover ambos rotores. (a) YHC-1A.(b) Model 114: HC-1B. Figura 1.2 Modelos. La estructura de este helicóptero es semimonocasco de construcción enteramente metálica. El tren de aterrizaje es no retráctil y presenta una configuración de cuatriciclo, y el fuselaje dispone de flotadores estancos y compartimentados carenados a cada lado del fuselaje inferior, que cubren casi tres cuartas partes de la longitud del fuselaje, para suplementar la flotabilidad del fuselaje interior estanco en las operaciones acuáticas. 1.2 Modelos 1.2.1 CH-47A & CH-47B El helicóptero todo-tiempo de carga media CH-47A Chinook fue equipado inicialmente con motores Lycoming T55-L-5 de 2200 hp (1640 kW), pero fueron reemplazados por motores T55-L-7 de 2650 hp (1980 kW) o T55-L-7C de 2850 hp (2130 kW). El CH-47A tenía un peso máximo total de 15 000 kg y fueron construidas un total de 349 unidades de este modelo. El CH-47B fue equipado con dos motores Lycoming T55-L-7C de 2850 hp (2130 kW), obteniendo mayor potencia para operar en climas cálidos y en altura. Fue una solución interina hasta la llegada de la versión C produciendo un total de 108 unidades. 1.2 Modelos 3 1.2.2 CH-47C & CH-47D Esta versión nació debido a las dificultades de los CH-47A/B para transportar el obus M198 de 155 mm. a cualquier distancia. El CH-47C incorporó transmisiones y motores más potentes. Pudiendo transportar cargas de mas de 6 toneladas. Esto supuso que el CH-47C tenía un mayor peso y estaba equipado con 4 tanques internos de combustible, motores Lycoming T55-L11 y mejoras estructurales. (a) CH-47C.(b) CH-47D. Figura 1.3 Modelos. Después de la guerra, Boeing y el Ejército comenzaron a planificar una importante actualización de la flota que tuvo como resultado del desarrollo del CH-47D. El CH-47D es el estándar del Ejército de EE.UU. y se caracteriza por palas de rotor compuestas, un sistema eléctrico mejorado, componentes hidráulicos modularizados, ganchos triples de carga, mejoras de aviónica y comunicación y motores más potentes que pueden manipular una carga útil de 12.500 kg. Durante 20 años el CH-47D Chinook ha sido el principal transportista del Ejército de EE.UU. 1.2.3 MH-47D & MH-47E El MH-47 Chinook es el helicóptero de transporte pesado del 160ºRegimiento de Aviación de Operaciones Especiales del Ejército de EE.UU. El MH-47 se diferencia del CH-47 por la incorporación de mejoras para hacer que el helicóptero sea capaz de realizar misiones en territorio enemigo, realizando vuelos nocturnos y a baja altura. (a) MH-47E.(b) CH-47F. Figura 1.4 Modelos. Por ello el MH-47D se dotó de capacidad de reabastecimiento en vuelo para misiones de inserción que requieran gran autonomía. También cuenta con equipos de visión nocturna, radar, equipos de navegación y equipos para autodefensa. La flota de MH-47D operó por todo el mundo, llevando a cabo misiones de entrenamiento y combate en todos los climas y condiciones. Los MH-47D entraron en servicio a mediados 4Capítulo 1. Introducción de los años 80 y fueron retirados en 2008 al ser reemplazados por los MH-47E. En 1995, Boeing completó el prototipo MH-47E, que presentaba grandes mejoras respecto al "D". Se realizaron un total de 25 unidades. Se denominaron también CH-47 SOA (Special Operations Aircraft), siendo 26 CH-47C convertidos por Boeing en MH-47E. Esta versión es similar al MH-47D, añadiéndole la capacidad de combustible interno del CH-47SD (Super-D) y un radar más moderno de seguimiento del terreno. 1.2.4 CH-47F & Último modelos En la década de los 90, Boeing y el Ejército acordaron que la flota de Chinook debería pasar por un segundo programa de modernización. Esto ampliaría el servicio de los CH-47 hasta después de 2030. El nuevo modelo F, se caracteriza por una reducción de los efectos de la vibración, un sistema de control de cabina integrado, motores más potentes con control de combustible digital así como controles de vuelo automáticos digitales. Como la mayoría de avances tecnológicos que han existido en la historia, desgraciadamente, estos han sido gracias a las guerras y los conflictos bélicos. En el ámbito de la aviación ocurre igual. En este caso el ejercito de Estados Unidos basándose en la experiencia operacional en Afganistán, así nació uno de los modelos más equipados en cuanto a armamento, Chinook MH-47G. Estos son una mezcla de MH-47G remanufacturados y nuevos. a partir de modelos anterior (MH-47D, MH-47E, CH-47D y CH-47F). La tripulación requerida para un MH-47G es de 5 personas: Piloto, Co-piloto y 3 tripulantes adicionales que realizan el resto de tareas. La tendencia final será transformar los modelos CH-47 en MH-47. Por otro lado destacar que existen multitud de variantes de Chinook en función del país poseedor. Así Reino Unido posee los modelos Chinook HC obtenidos a partir de modificaciones en el Chinook CH-47C y D. Ocurre lo mismo con Japón, quienes producen el CH-47JA, versión de largo alcance del CH-47J provista de depósitos de combustible ampliados y otras mejoras que le acercan a un MH-47E (sin sonda reabastecimiento en vuelo). 2 Punto de partida Para dar comienzo a este proyecto, tomaremos como origen el punto final del trabajo fin de grado (Diseño, recreación y modelado de aeronaves de alas giratorias verticales - Modelo Boeing CH-47-Chinook). En primer lugar, dada la variedad de modelos existentes de esta aeronave, se decidió realizar una recreación del modelo CH-47D Chinook, siendo este el más utilizado y más empleado en su historia, además de que el Ejercito Español de Tierra cuenta con 17 unidades de este modelo. 2.1 Recordatorio primer modelado, Chinook CH-47D En este proyecto se tuvo que realizar un escalado debido a las vistas encontradas a través de internet no están bien dimensionadas y para poder hacer un modelado consecuente y real era primordial que las tres vistas del helicóptero estén lo más escalado posible. Figura 2.1 Vistas de la aeronave en Sketch Tracer. Finalmente, para la realización del escalado se decidió dejar constante el valor de la anchura del fuselaje: 3.78 m ya que manteniendo constante este valor el resto de cotas no variarían demasiado, llegando a los resultados que se muestran en las fotografías y que se presentan a continuación: El resultado final del Imagine & Shape se puede apreciar en la Figura 2.2. En color rojo está el cajón central del fuselaje, en color naranja correspondería a los pods de los laterales del fuselaje, los colores rosa y verde corresponderían al fuselaje de cada rotor y por último una fina linea azul correspondería a la unión entre los fuselajes de los rotores. 5 12 Capítulo 3. Modelado en CATIA V5 R19 (a) Transmisión delantera.(b) Transmisión trasera. (c) Transmisión del motor.(d) Transmisión combinada. Figura 3.5 Transmisiones del sistema. 3.1 Remodelado, defectos y mejoras 13 Respecto a los ejes nos encontramos con que el sistema está caracterizado por 12 ejes. Estos se dividen en el eje delantero el cual está dividido en 7 ejes, luego está el eje trasero que se divide en 2 ejes, y por último 2 ejes correspondientes a cada motor. Se puede apreciar en la siguiente figura el detalle de las uniones y los diferentes ejes entre si: Figura 3.6 Ejes del sistema de transmisión de potencia. (a) Eje del motor.(b) Eje delantero. Figura 3.7 Ejes de potencia. 14 Capítulo 3. Modelado en CATIA V5 R19 Figura 3.8 Distribución del sistema de ejes. Una vez que tenemos una idea de como es el sistema de transmisión de potencia y de cuantas partes está formado, pasamos a diseñarlo e implementarlo en CATIA: Figura 3.9 Modelado del sistema de transmisión de potencia. Figura 3.10 Modelado con el sistema de potencia. 3.1 Remodelado, defectos y mejoras 15 Figura 3.11 Detalles internos del eje principal. 3.1.2 Mejoras y optimización En este apartado detallaremos la principal mejora y la optimización que se han realizado Cinemática del sistema rotor Se ha decidido realizar la cinemática del movimiento de las hélices del Chinook. Para llevarlo a cabo se ha recurrido a diferentes submódulos y se han tomado distintas decisiones: • En primer lugar, se decidió representar el movimientos de las hélices, puesto que la idea principal era representar los distintos grados de libertad que nos permitía el sistema rotor, pero esta idea se descartó debido a la enorme complejidad que acarreaba así como la falta de documentación, planos y medidas para el correcto diseño del mismo, teniendo que haber recurrido a un diseño más simple. • Dado que el sistema rotor estaba realizado en Shape, se recurrió a módulo Mechanical Design y más concretamente a los submódulos Part Design yAssembly Design, con el fin de obtener un modelo sólido del sistema rotor para su correspondiente ensamblaje, realizados en sus respectivos módulos. • Por último, para obtener la cinemática, se utilizó el submódulo DMU Kinematics perteneciente al módulo Digital Mockup. (a) Mechanical Design.(b) Digital Mockup. Figura 3.12 Módulos CATIA. 16 Capítulo 3. Modelado en CATIA V5 R19 Mechanical Design Para obtener una cinemática del movimiento de las hélices primero hay que transformar nuestro modelo en sólido, más concretamente el sistema rotor. El sistema de transmisión se realizó en sólido, es decir, se diseñó en Part Design y no se ha tenido que transformar. El siguiente paso fue realizar un ensamblaje de las distintas partes sólidas, para ello simplemente se crea un CAT.Product en submódulo Assembly Design e importamos los distintos CAT.Part. Para la elaboración del ensamblaje se toman las bases de los rotores fijas, para ello utilizamos la herramienta Constraints y seleccionamos Fix Component y seleccionamos a las bases de los rotores. Ya lo único que falta es imponer las condiciones de los ejes, para ello seleccionamos Coincidence Constraint y seleccionamos los distintos ejes de la base como del sistema rotor y con el sistema de transmisión. Ahora mismo con estas restricciones lo que se ha conseguido es que la base del rotor este fija y el sistema rotor esté en el mismo eje pero no significa que estén juntos, para ello utilizamos la siguiente restricción: Offset Constraint, la cual nos permite imponer la distancia entre ambas partes. En este caso queremos que estén unidas pero que permita el giro independiente, entonces elegimos que la distancia entre ambos sea 0. En este submódulo también permite visualizar las distintas partes que forman el ensamblaje a través de la herramienta Explode, si añadimos el grupo motor y el tren aterrizaje, este es el resultado que obtenemos: Figura 3.13 Vista explosionada del avión. Digital Mockup Una vez reconfigurado el ensamblaje el siguiente paso es la realización de una cinemática del mecanismo. Para crearlo se hace en el submódulo DMU Kinematics. Se selecciona la herramienta Assembly Constraints Conversion. Una vez creado el mecanismo debemos indicar la parte que permanecerá inmóvil, para ello debemos seleccionar la herramienta Fixed Part, en este caso será las bases donde descansan el sistema rotor. Después se crean las distintas juntas que caracterizan el mecanismo, como solo queremos realizar un mecanismo de giro, se crea una junta de revolución, se selecciona Revolute Joint y a continuación se introducen los ejes de concentricidad y las caras que permanecerán en contacto durante la rotación, así se queda definida la única junta que habrá en este mecanismo. Se repite el proceso y se crea el segundo mecanismo para obtener cada uno de los sistemas de rotación (delantero y trasero) y el sistema de transmisión de potencia. 3.1 Remodelado, defectos y mejoras 17 (a) Mecanismo 1.(b) Mecanismo 2. Figura 3.14 Mecanismos. Figura 3.15 Mecanismo delantero. Figura 3.16 Mecanismo trasero. En este punto, el mecanismo ya está completamente definido y solo falta simularlo. Para ello, se utiliza la herramienta Simulation, en la cual se indica el movimiento que se desea que realice el mecanismo y la forma de ejecutarlo. Al tratarse del movimiento de dos rotores de un helicóptero, estos deben girar en sentido contrario para contrarrestar el par generado. Para poder visualizar ambos mecanismos, con sus respectivas simulaciones 18 Capítulo 3. Modelado en CATIA V5 R19 se utiliza la herramienta Edit Sequence la cual nos permite obtener en vídeo respectivos movimientos los cuales se presentan a continuación a través de distintas capturas: (a) Frame 1.(b) Frame 2. (c) Frame 3.(d) Frame 4. Figura 3.17 Movimiento hélices. 3.2 Estructura interna Uno de los principales objetivos de este proyecto es poder tener una visión mas global y en detalle del diseño y modelado del CH-47D Chinook. En el primer trabajo (Diseño, recreación y modelado de aeronaves de alas giratorias verticales - Modelo Boeing CH-47-Chinook) como bien hemos comentado varias veces nos dedicamos a realizar la piel de la aeronave, es decir el fuselaje. Además se llevó a cabo una gran cantidad de detalles y características que posee esta aeronave (acondicionamiento interior, ganchos, etc). El objetivo en este trabajo aparte de corregir detalles y añadir mas detalles es poder obtener una idea mejor y más en detalle de este helicóptero, para ello si ya tenemos la piel solo nos quedan los huesos, es decir, la estructura interna, sus cuadernas y sus largueros. Para llevar a cabo la estructura interna se ha partido de una serie de planos obtenidos de unos de los primeros modelos del CH-47 Chinook. El problema de trabajar con aeronaves que siguen operando a día de hoy, es decir que no están retiradas, es la falta de información respecto a planos y detalles. Sin embargo, se han podido obtener unos planos de la distribución de la estructura interna de los primeros modelos que actualmente no se encuentran operando. Esto tiene un lado bueno y es que nos da una idea de como es la distribución, pero también tiene un lado malo y es que estos planos se corresponden a una de las versiones antiguas del helicóptero por tanto puede producir discrepancias con el diseño actualizado que se tiene del trabajo fin de grado. 3.2 Estructura interna 19 3.2.1 Cuadernas Para conocer la distribución de cuadernas disponemos de los siguientes planos: Figura 3.18 Distribución de cuadernas. Figura 3.19 Distribución de cuadernas. 20 Capítulo 3. Modelado en CATIA V5 R19 Estos planos nos permiten sacar las distintas conclusiones respecto a la distribución de cuadernas. La principal es que la estructura interna del Chinook CH-47D está formada por un total de 20 cuadernas principales, las cuales podemos dividir por zonas de avión: Cockpit-Cargo-Cola •Cockpit: FR-51.75; FR-70.62; FR-95; FR-120; FR-140; FR-160 •Cargo: FR-160; FR-200; FR-240; FR-280; FR-320; FR-360; FR-400; FR-440 •Cola: FR-440; FR-482; FR-502 ;FR-520; FR-534; FR-555; FR-575; FR-594 A continuación se presenta una tabla donde se desglosa las distancias de cada cuaderna respecto al morro del avión, tomando como referencia nuestra medida de longitud escalada del fuselaje (dato obtenido del trabajo fin de grado, tabla 3.1 en el capítulo 3.1.1 Sketch Tracer), cuya longitud del fuselaje es 14,78m. Tabla 3.1 Distribución geométrica de las principales cuadernas. Cuaderna Distancia respecto a FR-0 FR-51.75 0.75 m FR-70.62 1.15 m FR-95 1.7 m FR-120 2.15 m FR-140 2.75 m FR-160 3.5 m FR-200 4.3 m FR-240 5.42 m FR-280 6.4 m FR-320 7.4 m FR-360 8.4 m FR-400 9.4 m FR-440 10.3 m FR-482 11.3 m FR-502 11.76 m FR-534 12.43 m FR-555 13 m FR-575 13.3 m FR-594 14.3 m A parte de este listado cuadernas principales, debemos destacar que existen otras cuadernas de apoyo, auxiliares a estas cuadernas principales Tabla 3.2 Distribución geométrica de las cuadernas secundarias. Cuaderna Distancia respecto a FR-0 FR-180 3.95 m FR-220 4.91 m FR-260 5.91 m FR-300 6.9 m FR-340 7.9 m FR-380 8.9 m FR-420 9.85 m FR-460 10.73 m FR-520 12.1 m FR-585 13.85 m 3.2 Estructura interna 21 En la siguiente imagen podemos ver como quedaría la distribución de cada uno de los planos a lo largo del fuselaje del helicóptero. Figura 3.20 Distribución de los planos de las diferentes cuadernas. Antes de continuar, debemos mencionar que si nos fijamos en la Tabla 3.1 y la Tabla 3.2 las cuadernas que corresponden al cargo (FR-160 hasta FR-440) la distancia de una estación con otra es aproximadamente 1 metro de ancho. Como bien se aprecia en la siguiente figura (Figura 3.21), el cargo tiene una forma simétrica y una distribución uniforme. A priori puede parecer una ventaja en el diseño de las cuadernas, pero en este trabajo se verá como cada cuaderna tiene su particularidades y sus diferencias respecto al resto. En este trabajo, la metodología ha sido inversa, es decir, no se han definido donde va cada cuaderna y a partir de ahí se ha modelado el fuselaje, si no que, como se tenía el fuselaje realizado del proyecto anterior y contando con la ayuda de los planos se ha conseguido una distribución consecuente de los planos de las cuadernas como bien se muestra en la figura anterior, Figura 3.20. Figura 3.21 Disección de las distintas partes del fuselaje. 28 Capítulo 3. Modelado en CATIA V5 R19 Figura 3.31 Distribución secciones Cargo. La Rescue door upper/lower hace referencia al hueco central del cargo, situado entre la cuaderna FR-320 y FR-360. La principal función de esta trampilla es la de ser la ubicación del gancho principal (Cargo Hook), cuya función es la del transporte de mercancías/vehículos/cañones pesados. Este hueco central ya se tenia pensando en el anterior proyecto de ahí que no sea una sorpresa ahora, y refleja lo consecuente que fue el primer diseño. Para visualizar y tener una idea de este gancho solo hace falta ir a la Figura 2.4 y la Figura 2.5. Hay que resaltar que la existencia de este gancho no es primordial para el transporte de cargas, puesto que dispone de dos ganchos auxiliares incrustados en el fuselaje (uno a la altura del tren delantero y otro cerca del tren trasero), pero a partir de un determinado peso si es necesario el Cargo Hook. Lo característico también es la apertura de una compuerta en la panza del helicóptero para la actuación del gancho. Figura 3.32 Rescue door upper/lower. 3.2 Estructura interna 29 En las siguientes imágenes se muestran las características y el diseño de las principales cuadernas del Cargo. Se puede observar como son muy similares entre si pero si se observan los detalles de cada una difieren bastante: (a) FR-200.(b) FR-240. (c) FR-280 & FR-320.(d) FR-360 & FR-400. Figura 3.33 Cuadernas Cargo. Como bien comentamos previamente, el Cargo tiene una forma simétrica (véase Figura 3.22) pero cada sección es distinta y a la vez muy parecida a la anterior. Además se pueden apreciar los salientes por los cuales pasan las guías del suelo del cargo. 30 Capítulo 3. Modelado en CATIA V5 R19 Figura 3.34 Detalles de las cuadernas del cargo. Figura 3.35 Cuadernas del Cargo con eje delantero. Como se puede observar, la distribución de las cuadernas en el Cargo es consecuente, ninguna cuaderna atraviesa las ventanas y están equidistantes aproximadamente de 1 metro. Que una cuaderna no atraviese una ventana es esencial puesto que la función de las cuadernas es la de soportar cargas y las ventanas son concentradores de tensión. Además se observa como el eje delantero del sistema de transmisión de potencia se apoya sobre la parte superior de las cuadernas. Realmente entre las cuadernas y el sistema de transmisión faltaría un fuselaje que separa ambos (ni en el modelado ni en la realidad las cuadernas están en contacto con el eje), esa parte correspondería al fuselaje central, pero dado que se hizo una unión entre el fuselaje superior y el fuselaje central esa superficie no aparece en el modelado. 3.2 Estructura interna 31 Para finalizar el capítulo del Cargo, falta hablar de las cuadernas auxiliares o secundarias. Estas tienen la peculiaridad que es la misma sección en todas las cuadernas, son simétricas y están formada por 20 orificios para permitir el rutado y cableado eléctrico como de tuberías. En la siguiente figura se muestra su sección: Figura 3.36 FR-180/220/260/300/380/420. Figura 3.37 Cuadernas del Cargo. 32 Capítulo 3. Modelado en CATIA V5 R19 Figura 3.38 Detalle cuadernas del Cargo. Cola Para finalizar el tema de las cuadernas, solo queda por definir y diseñar las cuadernas que forman la Cola. La Cola se caracteriza por estar formada por 7 cuadernas principales y 3 cuadernas secundarias. En la siguiente figura se puede obtener una idea de la distribución de cuadernas en la Cola, además también da una idea más clara de los largueros y larguerillos que forman la estructura, así como los detalles de los orificios en las cuadernas Figura 3.39 Distribución secciones Cola. 3.2 Estructura interna 33 Figura 3.40 Distribución intersecciones en la Cola. Empezando por las cuadernas secundarias que son menos, la cuaderna FR-460 es la que aparece en la Figura 3.28 y coincide con la cuaderna FR-160 en diseño y forma. Después está la cuaderna FR-520, esta está diseñada para dar soporte a los pod laterales y se puede apreciar en la figura anterior (Figura 3.39) su función, que no es mas que ser uno de las cuadernas que forman el pod lateral. Más adelante, en la Figura 3.41 puede apreciarse como es su diseño. Por último, la cuaderna FR-585 se trata de una cuaderna de soporte para la estructura de la cola. Figura 3.41 FR-520. 34 Capítulo 3. Modelado en CATIA V5 R19 Seguidamente pasamos a describir las principales cuadernas de la Cola y sus diferentes características. Empezando por la cuaderna FR-482, la peculiaridad de esta cuaderna es variopinta, y es que esta cuaderna es la cuaderna principal que soporta los dos turboejes del helicóptero, de ahí esos salientes con una especie de panza donde descansan los motores. Además en la primera cuaderna que forma la estructura trasera en la cual se apoya el rotor trasero. El eje delantero llega a la transmisión combinada que se sitúa justo delante de esta cuaderna, es el eje trasero la que atraviesa esta cuaderna así como la FR-534 hasta llegar a la transmisión trasera. Por último, parte de esta cuaderna está dedicada a la estructura del pod lateral. Se muestra el diseño de esta cuaderna en la siguiente figura: Figura 3.42 FR-482. Respecto al resto de cuadernas, estas se caracterizan ya que a medida que se va aproximando a la puerta trasera, estas se van ensanchando y se van acortado, adoptando la forma característica que tiene la cola del helicóptero. Llegado a este punto, cabe destacar que el modelado y diseño de la estructura de este helicóptero no seria posible hacerla con como única fuente de información estos planos, ya que faltan medidas y referencias, pero lo que si se puede obtener y es lo que se quiere transmitir en este proyecto es una idea o un modelo aproximado de como es la estructura del Chinook CH-47D. 3.2 Estructura interna 35 A continuación se representan los diseños del resto de cuadernas: (a) FR-502.(b) FR-534. (c) FR-555.(d) FR-575. Figura 3.43 Cuadernas Cola. 36 Capítulo 3. Modelado en CATIA V5 R19 Figura 3.44 FR-594. Finalmente, el modelado final de las cuadernas de la cola queda de la siguiente forma: (a) Con sketch.(b) Sin sketch. Figura 3.45 Detalle de las cuadernas de la Cola. A priori se puede pensar que las cuadernas de la Cola están mal diseñadas, puesto que la parte superior es demasiado larga. Sin embargo, esto no forma parte de cuaderna como tal, esa parte no aparece en las figuras de las cuadernas anteriores, pero si se amplia las fotografías se observa donde está el corte de lo que pertenece a la cuaderna original, y lo restante, es decir la parte superior, corresponde a la estructura que soporta el rotor trasero, que casualmente se apoya sobre estas cuadernas. Por último destacar que las vigas están diseñadas para soportar esfuerzos de flexión y pandeo (principales causa de rotura), y según estudios entre distintas secciones (T, I, C) las que mejor resultado son las de sección I (también conocidas como doble T), y es que el criterio mas importante en el ámbito estructural es la determinación de las deformaciones bajo la acción de cargas, y bajo un igual sistema de cargas las secciones tipo I son las más óptimas a utilizar ya que la deflexión que sufren es menor. 3.2 Estructura interna 37 Figura 3.46 Cuadernas de la Cola con el sistema de transmisión de potencia. Para cerrar este capítulo de las cuadernas, se muestran en las siguientes figuras las intersecciones y secciones de cada cuaderna en cada plano, así como varias figuras renderizadas para ver en detalle de cada cuaderna: Figura 3.47 Secciones de las distintas cuadernas. 44 Capítulo 3. Modelado en CATIA V5 R19 (a) Detalle larguerillos en el Cockpit.(b) Detalle larguerillos en el Cargo. (c) Detalle larguerillos en la Cola. Figura 3.59 Detalle de los larguerillos. En las anteriores figuras, se observa la distribución característica de los larguerillos en las distintas partes del fuselaje del Chinook. Además, se observa como los larguerillos y los largueros van siguiendo en todo momento la forma del fuselaje de una forma continua y coherente, formando el esqueleto del fuselaje. Esto se debe a que el método empleado se ha basado en el uso de Splines a lo largo de la longitud del fuselaje, actuando como guía. Se ha realizado de esta forma con el objetivo de que no haya cambios bruscos y sea consecuente con el modelo original. Respecto a los largueros podemos diferenciarlos de forma fácil al estar en color azulado y son los únicos que llevan agujeros. Los largueros se definen como vigas que recorren el fuselaje de forma longitudinal, soportando cargas a flexión y las posibles cargas axiales. Los agujeros en las vigas son para reducir el peso en la aeronave sin verse reducida su capacidad de soportar cargas, con la característica de irse ensanchando a lo largo que se acerca a la cola como se aprecia en las figuras anteriores. Sobre los larguerillos, se definen como una serie de pequeñas vigas que recorren el fuselaje longitudinalmente al igual que los largueros, su función es de apoyo al revestimiento, previniendo el pandeo. Si se aumenta el numero de larguerillos y se reduce la distancia entre los mismos, se aumenta el esfuerzo de pandeo. Además, soportan cargas de compresión y tracción, incluidas las inducidas por la flexión del fuselaje. Esta distribución es debido a ser un fuselaje semimonocasco, es un fuselaje mas complejo debido a la gran cantidad de elementos pero a pesar de ello pesa menos que el fuselaje monocasco para soportar el mismo estado de cargas (es más eficiente poner colocar apoyos extras que aumentar el espesor del revestimiento). 3.2 Estructura interna 45 Finalmente para concluir con este capítulo de la estructura interna, se adjuntan una serie de fotografías para comprender mejor como es la estructura interna completa, uniendo a las cuadernas los largueros y los larguerillos: Figura 3.60 Conjunto larguero-larguerillos-cuadernas. (a) Detalle estructura interna en el Cockpit.(b) Detalle estructura interna en el Cargo. (c) Detalle estructura interna en la Cola. Figura 3.61 Detalle de los larguerillos. 46 Capítulo 3. Modelado en CATIA V5 R19 (a) CATIA. (b) Render. (c) Plano original. Figura 3.62 Estructura interna - vista lateral izquierda. 3.2 Estructura interna 47 (a) CATIA. (b) Render. (c) Plano original. Figura 3.63 Estructura interna - vista lateral derecha. 48 Capítulo 3. Modelado en CATIA V5 R19 (a) . (b) . (c) . Figura 3.64 Detalle estructura interna y el sistema de transmisión en Render. 3.2 Estructura interna 49 Figura 3.65 Detalle estructura interna con sistema de propulsión y transmisión. Figura 3.66 Modelo final estructura interna. Figura 3.67 Modelo final estructura interna. 4 Impresión 3D Una vez acabado el proceso de diseño, la única pega que hay entre lo que diseño, la forma de palparlo no es posible, se podría recurrir a una maquina de control numérico pero es un proceso caro, hoy en día gracias al avance tecnológico podemos ser capaces de en poco tiempo realizar nuestra maqueta y palparla, ver como queda. yo sigo yendo a comprar un mueble y voy con mi plano y con mis medidas y hasta que no me lo llevo y lo monto no me hago la idea de como queda Figura 4.1 Vista explosionada del avión. 4.1 Concepto impresión 3D El concepto de impresoras estaba ligado a aquello que nos permitía imprimir desde el ordenador a papel, ya bien sean documentos, dibujos o textos. Sin embargo, hoy en día existen impresoras capaces de imprimir todo aquello que tengamos al alcance de nuestra imaginación, desde juguetes, herramientas e incluso piezas de aviones, estas impresoras se denominan impresoras 3D. Las impresoras 3D se caracterizan por que son máquinas que tienen la capacidad de realizar copias de 51 52 Capítulo 4. Impresión 3D diseños con volumen, es decir físicas, palpables, con largo alto y ancho, a partir de un diseño que previamente haya sido creado en un ordenador, escaneado o descargado de algún sitio web. Para llevarlo a cabo, hay que hacer uso de diseños realizados con programas CAD (Diseño Asistido por Computador), e imprimiéndolo en estas impresoras permite pasar de ser un diseño 3D, a un modelo físico 3D. Figura 4.2 Ejemplo impresión 3D. Se han usado en medicina para la creación de medicamentos para la epilepsia, prótesis dentales, prótesis robóticas, tejidos de piel entre otros y en un futuro se espera la creación de órganos a partir de células madres vivas. En la industria automotriz desde hace años es muy usada la impresión 3D ya que es una manera rápida de crear los prototipos para su estudio y análisis. E incluso en la alimentación se ha utilizado para hacer desde bases de pizza hasta pasteles de chocolates, cuyos diseños son realmente perfectos y de ensueños. Las impresoras se pueden clasificar según la técnica que utilizan para imprimir: • Impresoras 3D SLA (Estereolitografía): A una resina liquida sensible a la luz, la cual debe estar depositada en un cubo, se le aplica una luz ultravioleta. De esta manera, la resina se va solidificando capa por capa debido a la luz ultravioleta. • Impresoras 3D SLS (Sinterización Selectiva por Láser): Permite la utilización de materiales en polvo tales como el cristal, nylon poliestireno entre otros. Al polvo lo impacta el láser, lo funde y este se solidifica dando como resultado el objeto a crear. • Impresoras 3D por Inyección: Es la más parecida a las impresoras comunes, debido a su sistema de inyección. Pero en vez de inyectar en el papel las gotas de tinta, esta inyecta el fotopolímero liquido en capas. • Impresión FDM (Deposición de material fundido):Esta técnica consiste en calentar y moldear el polímero contenido en rollos, para ser depositado capa a capa sobre una base plana, para que de esta manera el mismo se solidifique mientras va tomando la forma deseada. Las impresoras 3D para crear un modelo físico de un diseño, lo que hace es ir creando capas de manera continua y sucesiva hasta la creación completa y exacta del diseño en sus 3 dimensiones ancho largo y altura. El proceso mediante el cual las impresoras crean estos objetos en capas, se denomina Proceso Aditivo. En CATIA se hace el modelo 3D y luego se hace uso de un programa auxiliar que permite transformar ese diseño 3D en capas para poder mandarlo a la impresora 3D y esta realizar la ruta de impresión por capas y por ende el modelo 3D. Respecto a los materiales que se utilizan en la impresión 3D y a diferencia de las impresoras tradicionales que usan cartuchos de tinta los materiales que se utilizan, pueden ser distintos y varían en precio y según sea el objeto a imprimir. Los principales materiales son termoplásticos aunque algunas utilizan nylon, metal entre otros. Los materiales plásticos son los más utilizados ya que permiten ser calentados y moldeados con facilidad. Los principales filamentos 3D utilizados son el PLA, ABS, HIPS, FilaFlex, y otros que contienen aditivos 4.2 Parámetros de la impresión 3D 53 como madera y goma. Los filamentos 3D de ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) garantizan que el objeto a imprimir será resistente y fuerte. El ABS es el plástico con el cual crean piezas como las de Lego o el que se encuentran en algunos electrodomésticos. Por su parte los filamentos 3D PLA (poliácido láctico), son considerados un éxito total de las impresiones 3D. Es de origen natural y se obtiene del almidón de maíz al igual que de la caña de azúcar. Al momento de la impresión no emite gases tóxicos o nocivos y los objetos creados son biodegradables. Las superficies de estos objetos serán muy brillantes y el acabado en las esquinas será de mejor calidad. Los materiales utilizados para la impresión se conocen como filamento flexible que no ese más que un compuesto plástico al que se le añade un agente químico (plastificante), para aumentar su flexibilidad y reducir la temperatura de fundido y la viscosidad que permite que las impresoras 3d puedan fundirlo y darle la forma deseada, quedando el producto final como una pieza consistente que presenta como propiedad principal a destacar su flexibilidad. Cualidad de la que carecen otros compuestos como puede ser el PLA o el plástico de las bobinas ABS si están en estado puro. Se incorporan para facilitar la transformación del material y aumentar la resistencia al impacto, ya que adicionados en pequeñas cantidades aumentan la flexibilidad. La ductilidad y la tenacidad de los polímeros también pueden mejorarse con la ayuda de los plastificantes. Su presencia también reduce la dureza y la fragilidad. 4.2 Parámetros de la impresión 3D Para llevar a cabo la impresión, se necesita un software auxiliar que haga de puente entre el diseño y la materialización en la impresoras 3D. Estos softwares permiten hacer slice, es decir, convertir un objeto 3D a un objeto imprimible mediante su transformación a capas, estos objetos que se transforman a capas los metemos en las impresoras en formato gcode. Estos software permiten trabajar con variedad de formatos (STL, OBJ y PLY lo más usados). Los principales softwares para impresión 3D son: Ultimaker Cura y PrusaSlicer. Una vez cargado nuestro diseño dentro del software debemos decidir cómo va a ser nuestra impresión. Para ello deberemos jugar con los siguientes parámetros: • Altura de capa: Estrechamente relacionado con la calidad de impresión/resolución. Permite ajustar el espesor de la capa de impresión, depende enormemente de las características de cada equipo (punto importante a la hora de elegir una impresora u otra). A menor altura de capa, mejor el acabado pero más tiempo tarde. A mayor altura, peor resultados pues se notan mas las estrías pero tarda menos en imprimir la pieza •Lineas de pared: Afecta también a la resolución. Este parámetro permite elegir número de líneas que formará las paredes de la pieza pudiendo hacerla mas o menos gruesa. A su vez existen dos tipos de paredes (Paredes interiores/exteriores) •Capas superiores y capas inferiores: Permite elegir el número de capas al inicio y al final • Grosor/Espesor de pared: En el caso de un objeto completamente «sólido», es común que la pieza no se imprima completamente sólida, sino que se imprime un caparazón con una estructura interna. Este parámetro controlará el espesor que tendrán las caras externas de la pieza impresa. También se puede jugar con el patrón que va a llevar el interior • Densidad del relleno o relleno del material: Se refiere al relleno que se utilizará como estructura interna en el caso de objetos completamente sólidos, permitiendo ahorra material y disminuir el peso de la pieza. La impresora crea una retícula que dará fortaleza a la pieza, pero dejará espacios vacíos al interior del objeto. La densidad se controla por porcentaje, 100% equivale a que la pieza quedará totalmente rellena (sólida). Lo óptimo puede ser un 10%. Es importante considerar que el porcentaje de relleno tiene efectos importantes en la resistencia final de la pieza, su peso y tiempo de impresión, aun cuando la apariencia exterior no se ve afectada. Se recomienda no utilizar un porcentaje de relleno mayor al 25% al menos que la pieza se vaya a utilizar para algún esfuerzo mecánico. • Temperatura de impresión/temperatura placa/flujo: Depende del material que se use en la impresión y de la impresora que se utilice Bibliografía [1] (2020) H-47 chinook. [Online]. Available: http://www.boeing.com/defense/ch-47-chinook/ [2] (2020) Ch-47d chinook. [Online]. Available: https://www.boeing.es/productos-y-servicios/defensespace-security/ch_47d_chinook.page [3] S. Writer. (2020, Mayo) Boeing ch-47d chinook. [Online]. Available: https://www.militaryfactory.com/ aircraft/detail.asp?aircraft_id=56 [4] (2017, Julio) Company h, 4th battalion, 7th aviation regiment. [Online]. Available: http: //www.chinook-helicopter.com/index.html [5] J. Martin. (2015, Febrero) Nos subimos al nuevo helicóptero militar ch-47f chinook. [Online]. Available: https://www.cnet.com/es/imagenes/nuevo-helicoptero-militar-ch-47f-chinook-fotos/ [6] (2020, Agosto) Boeing chinook (uk variants). [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/ Boeing_Chinook_(UK_variants) [7] (2020) Ch-47d/f / mh-47e chinook helicopter. [Online]. Available: https://www.army-technology.com/ projects/chinook/ [8] (2019, Septiembre) Lycoming t55. [Online]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Lycoming_T55 [9] (2020, Agosto) Rotor de helicóptero. [Online]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Rotor_de_ helic%C3%B3ptero [10] (2020, Junio) Cabina de avión. [Online]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Cabina_de_avi%C3% B3n [11] (2019, Septiembre) Cabina de vuelo. [Online]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Cabina_ de_vuelo#:~:text=La%20cabina%20de%20vuelo%E2%80%8B,controlar%20y%20dirigir%20el% 20veh%C3%ADculo. [12] G. Cortina. La plataforma de combate “chinook” española. [Online]. Available: http://www. hispaviacion.es/la-plataforma-combate-chinook-espanola/ [13] DefensayAviación. (2019, Septiembre) No apto para cardíacos: así se engancha la carga externa en un chinook de las famet. [Online]. Available: https://www.outono.net/elentir/2019/09/17/no-apto-para- cardiacos-asi-se-engancha-la-carga-externa-en-un-chinook-de-las-famet/ [14] J. Gimenez. (2018, Julio) Mh-47g chinook helicóptero de operaciones especiales. [Online]. Available: https://defensayarmas.blogspot.com/2018/07/mh-47g-chinook-helicoptero-de.html [15] (2019, Agosto) Fuselaje. [Online]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Fuselaje 61