...

diseño y simulación numérica de asiento de avión comercial

by user

on
Category: Documents
0

views

Report

Comments

Transcript

diseño y simulación numérica de asiento de avión comercial
XVI CONGRESO INTERNACIONAL
DE INGENIERÍA GRÁFICA
DISEÑO Y SIMULACIÓN NUMÉRICA DE ASIENTO DE AVIÓN
COMERCIAL
SUÁREZ RIVERO, José P.(1); HERNÁNDEZ RÍOS, Víctor
(1) Universidad de LAS PALMAS DE GRAN CANARIA, España
Departamento de Cartográfia y Expresión Gráfica en la Ingeniería
e-mail: [email protected]
RESUMEN
El trabajo presenta los aspectos esenciales del diseño de un asiento para avión comercial y éste
pretende ser una propuesta de desarrollo para la implantación real de tales asientos en el
mercado aeronáutico. Entre estos aspectos se destaca las etapas de modelado geométrico y de
simulación numérica. En cuanto al modelado geométrico se propone un diseño que se ajusta a
las necesidades ergonómicas en los espacios cada vez mas aprovechados de los aviones, sin
perder como criterio general la confortabilidad y la flexibilidad de las formas. En cuanto a las
etapas de simulación numérica, se presenta un estudio analítico y numérico sencillo por
Elementos Finitos que permite simular el asiento en condiciones de funcionamiento y
considerando materiales de fabricación apropiados.
Palabras clave: diseño asientos, simulación numérica, elementos finitos.
ABSTRACT
This work presents essential recipes for the design of a commercial aitplane seat. Our results
can be then put into the development line of the aeronautic market. Within the recipes, we
remark geometric modeling and numeric simulation stages. Respecting geometric modeling,
we propose a design satisfying ergonomic requirements for ther reduced spaces in modern
airplanes. Respecting numerical simulation, we provide a simple analytic and numeric study
using Finite Element Method that makes it possible to perform a simulation of the functionality
and considering properly materials for manufacturing.
Key words: seat design, numeric simulation, finite elements.
1. Introducción
El campo de diseño de aviones es un tema poco difundido entre la comunidad
científica actual, debido en gran medida al hermetismo que las compañías privadas
llevan a cabo, [4] Pocas referencias de acceso público pueden encontrarse en este
sentido. Los fabricantes de aviones y las compañías aéreas demandan diseños
específicos que son encargados a determinadas empresas que guardan muy
celosamente detalles desde el proceso de diseño hasta el proceso de fabricación. En
particular, si se trata de obtener información sobre estudios numéricos que aporten
información sobre detalles de mecánica estructural de dichos asientos, el hermetismo
aumenta.
Este trabajo surge desde el estudio realizado en [2] el cual propone un diseño de
un asiento de pasajeros para la clase turista de vuelos de larga distancia (más de 4
horas), teniendo en cuenta las normas y reglamentos vigentes. Dicho diseño intentará
aumentar el confort mejorando entre otros aspectos las características físicas y los
aspectos psicológicos. En cuanto a características físicas se considera Dimensiones de
asientos, Distancia entre ellos, Formas, materiales, etc. Asimismo es necesario la
consideración de aspectos psicológicos del diseño, como por ejemplo colores, entorno
del pasajero, distancias. Asimismo, se complementa el trabajo con un estudio analítico
y numérico sencillo por Elementos Finitos que permite simular el asiento en
condiciones de funcionamiento y considerando materiales de fabricación apropiados.
2. Antecedentes en el diseño de asientos para avión. Aspectos ergonómicos
Existe una reglamentación mínima sobre la distancia que deben tener las butacas.
La distancia mínima reglamentada por la CAA británica -Autoridad de Aviación
Civil- es de 66 cm. Esta distancia es determinada por el espacio que existe entre el
respaldo del asiento de apoyo de un pasajero y el respaldo que tiene delante. Esta
distancia es absurda y va en contra de la prevención de riesgo. Por ejemplo, dicha
medida le impide flexionar las rodillas a un pasajero de talla media, Figura 2. Esto, sin
tener en cuenta si el pasajero de delante decide inclinar el asiento hasta un máximo de
25°. La movilidad y la posibilidad de realizar algún ejercicio sería nula y los riesgos
de problemas circulatorios, muy grandes. Pero no existe ninguna compañía aérea que
tenga estas medidas, y si alguna la tuviese, convendría cambiar el billete, siempre y
cuando sea un viaje de larga duración (más de cuatro horas). Las siguientes imágenes
muestran el espacio insuficiente entre asientos, lo cual provoca problemas y lesiones a
los pasajeros:
Figura 1: Problemática existente de falta de espacio
Figura 2: La línea gruesa indica el límite de espacio recomendado para que el
pasajero pueda mover las piernas.
3. Solución adoptada
La solución adoptada para el diseño propuesto consiste en un asiento el cual pasa
de la posición sedente normal a una posición recostada. Dicho asiento permite que el
pasajero pueda acostarse a partir de un conjunto de movimientos. El mecanismo que
hace posible que el asiento se pueda desplegar, también permitirá al ocupante que
adopte cualquier posición intermedia entre la sedente y la recostada, pudiéndolo
inmovilizar en el punto que desee. Destacar también que el movimiento de una de las
piezas que actúan sobre dicho movimiento provocará que se muevan el resto de las
mismas, es decir, es una cadena de movimientos (cuando se mueve una se mueven
todas).
El asiento posee unas partes fijas (las cuales permanecen inmóviles en todo momento
y sirven como estructura de apoyo), estas partes son las patas, el arco del respaldo que
sirve como estructura de apoyo a la carcasa trasera y la corredera que está unida al
arco del respaldo por la cual se deslizará el respaldo. El resto de los elementos son los
elementos móviles.
En cuanto a materiales de fabricación se resumen en la Tabla 1 los principales
componentes.
Estructura
Aluminio 2024-O, Aluminio 2024-O,
ISO AlCu4Mg1, Din AlCuMg2
Cojines
Confor Foam (CF-45)
Carcasas
Policarbonato (PC)
Tabla 1:Lista de materiales de fabricacíón propuestos
3.1 El modelado de las formas
La búsqueda del modelo para las formas del asiento y elementos como carcasas
cojines, etc, ha sido considerada también en base a las medidas antropométricas del
cuerpo humano, [1,3]. Por otro lado, se opta por formas redondeadas para el conjunto
de los elementos, entre ellos la carcasa trasera ya que dicha carcasa podía estar en
contacto con los pasajeros y se tiene que evitar en todo momento que pudiera herir a
los mismos en caso de accidente, ver Figura 3.
Otro aspecto a destacar del diseño es la forma envolvente del mismo haciendo
que el pasajero posea su propio espacio cuando está en dicho asiento. Una vez el
pasajero ha abatido su asiento, la mitad superior de su cuerpo queda metida en la
carcasa, aportando intimidad frente al resto de los asientos y propiciando el que un
asiento sea una máquina que satisfaga las necesidades de los pasajeros, Figuras 3 y 5.
Figura 3: Formas gráficas del diseño propuesto
Figura 4: Distintas posiciones capaces del asiento
La Figura 5 muestra el plano de despiece del asiento.
La Figura 6 representa los ángulos y la distancia que el asiento se ha tenido que
desplazar hasta conseguir la posición final.
Figura 5: Plano de conjunto del diseño propuesto.
Figura 6: Tolerancia de ángulos y desplazamientos del asiento.
4. Análisis numérico del diseño propuesto
Todos los asientos adaptados para ser utilizados durante el aterrizaje y despegue
deben ser capaces de resistir las cargas aplicadas estática y dinámicas, [4].
A continuación se hace un estudio estático de cargas aplicada a una simplificación
del modelo propuesto. El estudio lo realizaremos con el método de Elementos Finitos
(FEM)m el cual es un método numérico que permite hacer un análisis y simulación en
condiciones reales de un diseño. Pasos del Método: (1) Modelado geométrico (2)
Generación de Mallas (3) Formulación del modelo (4) Solución (5) Postproceso y
optimización.
Como herramienta de apoyo en cálculos hemos utilizado el software FEMLAB
para desarrollar la simulación.
Una clase importante de problemas que aparecen en física e ingeniería se puede
encuadrar en el siguiente marco variacional abstracto:
donde V es un espacio de Hilbert, a : V x V R es una forma bilineal continua y
elíptica, y f : V
R es una forma lineal y continua. La aproximación general de
Galerkin consiste en construir subespacios Vh de V de dimensión finita y resolver el
siguiente problema aproximado:
que equivale a la resolución de un sistema algebraico lineal de ecuaciones.
El modelo utilizado en la simulación del asiento siguen las ecuaciones de Navier
las cuales son ampliamente conocidas en Mecánica Estructural para afrontar el
balance entre fuerzas según la deformación de componentes:
donde Xi,j representa el espacio de coordenadas, y Ui,j las componentes de
deformación. De forma simplificada la ecuación llega a ser:
El anterior modelo es de utilidad en el estudio de problemas no acoplados o bien
de problemas acoplados. Los parámetros de respuesta de dicha simulación permitirán
evaluar la resistencia y rotura del asiento así como detectar partes de
sobrecalentamiento que puedan afectar a la ergonomía y a problemas estructurales del
producto. Será fundamental en el diseño de la simulación, la consideración de
materiales apropiados así como el diseño de experimentos para la simulación (puesta
en escena del uso, análisis de fatiga etc.).
En particular, se ha realizado la siguiente simulación: se ha supuesto que una
persona de media de 80 Kg de peso se encuentra sentada en el asiento, en estado libre
de tensión. Las fuerzas aplicadas al dominio del asiento son de 800N en la dirección y,
así como de (1/3)800N, en la dirección x. La figura 7 muestra el diagrama de fuerzas
en relación con el dominio de aplicación en el asiento.
Figura 7:Aplicación de cargas correspondientes a una persona de 80 Kg. Fy=800N;
Fx=Aprox 1/3FY=250 N
A continuación se procede a la ejecución del modelo de Navier de Mecánica
Estructural, para lo cual se ha diferenciado tres dominios de aplicación o estudio de
tensiones según la Figura 8, correspondiendo al reposacabezas (zona A), espaldar
(zona B) y asiento (zona C). Las gráficas presentadas en la Figura 8 detallan las
tensiones producidas en las zonas A, B y C. La lectura de dichas graficas hay que
hacerlas atendiendo al recorrido izquierda-derecha del camino sobre el asiento ABC,
de forma que el eje de las x en las gráficas detalla la tensión calculada en el camino
ABC del asiento. Se hace notar cómo en el punto de unión del camino A y B se
maximiza la tensión, por lo que un cuidado especial en la fabricación de esta zona ha
de ser tenida en cuenta. Asimismo, la zona del asiento en C posee un pico que
coincide con el centro de gravedad del soporte del asiento.
A
B
C
Estudio A
Estudio B
Estudio C
Figura 8: Gráficas de la evolución de las tensiones en las franjas A, B y C del asiento
2. Conclusiones
En esta comunicación se ha presentado aspectos básicos del diseño de un asiento
para avión comercial, enfatizando el modelado de las formas, el cual le otorga unas
cualidades ergonómicas adaptables al usuario. Asimismo, se proporciona un estudio
numérico sencillo por Elementos Finitos que permite dar respuesta a detalles de
fabricación y uso del asiento en condiciones reales. El estudio, aunque es de
características estáticas, despeja dudas de los puntos de tensión máximo que soporta el
asiento considerando pasajeros de peso medio. El conjunto de herramientas utilizadas
así como la metodología sencilla propuesta permite la aplicación a otras áreas de la
ingeniería como la transmisión de calor, fluidos etc.
Agradecimientos
Este trabajo ha sido financiado parcialmente por el proyecto PI2003/35 del
Gobierno de Canarias.
Referencias
[1] FARRER FRANCISCO, Manual de ergonomía – (1995).
[2] HERNÁNDEZ, Victor. Diseño de un asiento para avión comercial. Memoria
del Proyecto Fin de Carrera de la titulación I.T. Diseño Industrial, Universidad de Las
Palmas de Gran canaria.
[3] SHEN, W Y VERTIZ, A.M.- Redefining seat comfort” SAE Paper 970597,
1997.
[4] REINOLDS, H.M.- Automotive seat design for Sitting Comfort, Automotive
ergonomics, 1993.
Fly UP