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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

2

1Profesor Asociado, 2Estudiante, Divisin de Estudios de Posgrado e Investigacin, Instituto Tecnolgico de Puebla

U

2

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.

3

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

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FAVOURABLE QUAD-ROTOR AERIAL ROBOTS, CANBERRA,

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[9] R. M. M. BANGURA, (NONLINEAR DYNAMIC MODELING FOR

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[11] D. R. B. Y. A. M. D. P. E. POUNDS, STABILITY OF SMALL-SCALE

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