Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Curtiss P-40D

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 Grado Ingeniería Aeroespacial Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Curtiss P-40D Autora: Isabel María Vidal Expósito Tutor: Manuel Morato Moreno Dpto. de Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 Trabajo Fin de Grado Ingeniería Aeroespacial Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Curtiss P-40D Autora: Isabel María Vidal Expósito Tutor: Manuel Morato Moreno Profesor titular Dpto. de Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 Trabajo Fin de Grado: Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Curtiss P-40D Autora: Isabel María Vidal Expósito Tutor: Manuel Morato Moreno 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 Este trabajo supone para mí, el fin de mi carrera, pero más allá de eso, supone una prueba que en algunos momentos pensé que no iba a ser capaz de superar. Gracias a cada uno de los obstáculos que he tenido durante estos años, me he convertido en la persona que soy hoy. Me gustaría agradecer la dedicación a todos mis profesores, y en especial a mi tutor Manuel Morato por ayudarme siempre que lo he necesitado. Quería darle las gracias a mis padres, por el esfuerzo y el apoyo que me han transmitido durante todos estos años. A mi hermano, que aún siendo el pequeño de la familia, nunca dudó que podía conseguir todo aquello que me propusiese. Por aportarme siempre alegría y por su confianza plena en mí. A Alex, por haber sido partícipe de todo desde el primer momento hasta el último. Por ver en mí, lo que ni yo misma era capaz de ver, y por haberme aportado siempre paz en los momentos más difíciles. A Marta, por ser mi compañera de aventuras, hemos estado juntas desde el primer momento y ha sido un pilar fundamental para mí. Gracias por ser y estar siempre, por tus abrazos que dan vida . A mis compañeras de piso, Ana, Sara y Marta, que más que compañeras se han convertido en familia. Gracias por todas las cosas buenas que hemos vivido, me las guardo todas para siempre. Y por último, gracias a todas las personas maravillosas que he conocido, que por suerte, no han sido pocas. Isabel María Vidal Expósito Grado en Ingeniería Aeroespacial Sevilla, 2022 I Resumen El objetivo de este Trabajo Fin de Grado es el modelado de un avión de la Segunda Guerra Mundial con el software CATIA, el Curtiss P40-D. A lo largo del proyecto se va a explicar cómo se ha modelado cada subconjunto en el que se ha dividido el avión hasta llegar al resultado final. Se usarán diferentes módulos de CATIA como Part Design,Wireframe and Surface Design,Assembly Design,Kinematics yDrafting. Como softwares complementarios se usarán también AutoCAD, para obtener medidas que no estén en los planos del avión, y PhotoShop, para la postproducción de los renders obtenidos. Finalmente, se expondrán las conclusiones obtenidas y las diferentes líneas futuras de desarrollo. III XÍndice de Figuras 5.15 Pocket para separar la costilla del ala y del alerón 32 5.16 Resultado final de las costillas teniendo en cuenta el alerón 32 5.17 Multi-Section Solid para la construcción del larguero 33 5.18 Resultado final de los largueros del ala 33 6.1 Superposición del perfil NACA 0009 con la sección del estabilizador horizontal [4] 35 6.2 Superposición del perfil NACA 0010 con la sección del estabilizador horizontal [4] 35 6.3 Forma en planta del estabilizador horizontal 36 6.4 Multi-Section para el revestimiento del estabilizador horizontal 36 6.5 Resultado final del revestimiento del estabilizador horizontal 37 6.6 OperaciónExtrude para obtener las secciones que conformaran las costillas 38 6.7 Opciones de la operaciónExtrude 38 6.8 Costillas del estabilizador horizontal 38 6.9 Sketch con la forma deltimón de profundidad 39 6.10 Resultado final de las costillas del estabilizador horizontal 39 6.11 Operación Join para obtener un contorno cerrado 40 6.12 Contorno obtenido para el larguero 40 6.13 Larguero del estabilizador horizontal 40 6.14 Pad introducido como elemento que corta en la operación Split 41 6.15 Revestimiento del timón de profundidad 41 6.16 Revestimiento de la parte trasera del timón de profundidad 41 7.1 Secciones y contorno del estabilizador vertical 44 7.2 Multi-section de las secciones del estabilizador vertical 44 7.3 Operación Blend en la parte trasera del estabilizador vertical 45 7.4 Resultado de la prueba del estabilizador vertical 45 7.5 Secciones y contorno del estabilizador vertical 46 7.6 Multi-Section para el revestimiento del estabilizador vertical 46 7.7 Blend parte superior del estabilizador vertical 47 7.8 Blend parte inferior del estabilizador vertical 47 7.9 Resultado definitivo del revestimiento del estabilizador vertical 47 7.10 Costillas del estabilizador vertical 48 7.11 Sketch para realizar el Pocket a las costillas 49 7.12 Resultado final de las costillas del estabilizador vertical 49 7.13 Largueros del estabilizador vertical 50 7.14 Revestimiento timón de dirección 50 7.15 Revestimiento de la parte trasera del timón de dirección 51 8.1 Secciones referencia en el diseño de la hélice [5] 54 8.2 Secciones y guías para la multisección 54 8.3 Resultado final de la hélice 55 8.4 Sketch sección del cono 55 8.5 Shaft y tapa del cono 56 8.6 Resultado final cono 56 9.1 Neumático y llanta del Curtiss P40-D 57 9.2 Sketch neumático 58 9.3 Resultado final del tren de aterrizaje principal 58 9.4 Resultado final del tren de aterrizaje auxiliar 59 10.1 Sketch de la sección que define la mira 61 10.2 Pantalla para realizar el Circular Pattern Definition 62 10.3 Resultado tras aplicar el patrón circular 62 10.4 Renderizado de la mira incorporada en el fuselaje 62 10.5 Vista lateral de la toma 62 10.6 Vista frontal de la toma 62 10.7 Resultado de la toma supeior 63 Índice de Figuras XI 10.8 Sketch con la forma de la toma inferior 63 10.9 Pad para obtener la toma inferior 63 10.10 Sketch de la sección de la antena 64 10.11 Resultado final de la antena 64 11.1 Árbol de modelado con las restricciones el módulo Assembly Design 66 11.2 Modelo ensamblado y pintado 66 11.3 Plano del Curtiss P40-D 67 11.4 Vistas del modelo ensamblado 67 11.5 Opciones de la herramienta Render 68 11.6 Imagen 1 renderizada 68 11.7 Fotografía 2 [6] 69 11.8 Imagen 2 renderizada 69 11.9 Fotografía 3 [3] 70 11.10 Imagen 3 renderizada 70 11.11 Fotografía 4 [6] 71 11.12 Imagen 4 renderizada 71 11.13 Mitad del valor de la superficie alar 72 12.1 Revolute Joint para la hélice y el fuselaje 73 12.2 Árbol de modelado del mecanismo de la hélice 74 12.3 Simulación del mecanismo de la hélice 74 Índice de Tablas 3.1 Características técnicas del Curtiss P40 Warhawk 13 XIII 1 Objetivo y alcance El Curtiss P40-D es uno de los aviones más conocidos de la Segunda Guerra Mundial. Se trata de un caza estadounidense que recibió mucho protagonismo por la alta cadencia que había a principios de la guerra, porque en lo que a prestaciones se refiere, existían mejores opciones. Los objetivos de este Trabajo Fin de Grado están motivados por varias razones: • El software CATIA es ampliamente usado en la industria aeronáutica, luego conseguir tener un dominio y destreza ofrece grandes oportunidades a nivel profesional. • Toda la información sobre los aviones de la Segunda Guerra Mundial no está digitalizada, por tanto, este trabajo también tiene como objetivo la recuperación de patrimonio histórico más acorde a este tiempo. •A nivel de resultado, se busca el máximo parecido con la realidad, sirviéndose principalmente de los planos y usando cualquier ayuda auxiliar que facilite el correcto modelado. 1 2Capítulo 1. Objetivo y alcance 2 Introducción Este Trabajo Fin de Grado consiste principalmente en la reconstrucción del Curtiss P40-D usando el software CATA V5R19. Previo al modelado es necesario recopilar la máxima información para evitar tener que hacerlo posteriormente debido a la falta de datos. En este apartado se expondrá todo el proceso hasta la obtención de los planos y de material fotográfico del avión, y se introducirá de manera general las herramientas que se utilizarán de forma recurrente en CATIA durante el modelado del Curtiss P40-D. 2.1 Proceso de investigación inicial Antes de iniciar el proceso de modelado, es imprescindible realizar un estudio exhaustivo del avión Curtiss P40. Para ello hay que nutrirse de diversas fuentes de información: imágenes, videos del avión en vuelo, planos, enciclopedias, libros, etc. En general, la información de cazas de la Segunda Guerra Mundial es bastante limitada al tratarse de una época donde toda la información era confidencial para no darle ningún tipo de ventaja al bando contrario. A causa de esto, el proceso que se llevará a cabo no es tan solo el modelado del Curtiss P40, sino que habrá que tomar una serie de decisiones de diseño, sobretodo, a nivel del esqueleto del caza, es decir, sobre su estructura interna. Todas estas decisiones se plasmarán en la memoria y estarán basadas en todos los conocimientos adquiridos a lo largo del grado de Ingeniería Aeroespacial. Durante este proceso previo al modelado se ha intentado conseguir información adicional de museos e incluso de foros de aficionados a los aviones de la Segunda Guerra Mundial. Del único museo que se obtuvo respuesta fue del Museo de Aeronáutica y Astronáutica de Madrid, sin embargo, pese a tener algún libro sobre este caza, no fue de ayuda, ya que no disponen de dichos ejemplares en formato online y había que desplazarse hasta Madrid. Por otro lado, hay un foro de aficionados, llamado Foro Segunda Guerra Mundial (https://www.forosegundaguerra.com/index.php?sid=70611f52f52fab709deeb7c0f6349200), al que hay que suscribirse para poder contactar con los usuarios. De igual modo, no se obtuvo nada nuevo con respecto a lo obtenido por otras fuentes. Hay que mencionar, que en el caso de haber obtenido algo, no es información contrastada, ya que a este foro puede unirse cualquier apasionado por los aviones, pero cualquier información extra es beneficiosa aunque después tenga que ser desechada. Concluyendo, después de todo este proceso de búsqueda, lo que realmente va a servir para el futuro son los planos encontrados en los libros "the BEST of WYLAM" [ 1 ]y "Scale Aircraft DRAWINGS" [ 7 ], así como las fotos tomadas a lo largo del tiempo, tanto aquellas tomadas cuando el avión estaba operativo, como las más recientes en museos. Además del uso de CATIA, durante todo el proceso se ha estado usando conjuntamente AutoCAD para obtener todas las medidas que no se encuentran en los planos. Para el último paso, la post-producción de los renders obtenidos con CATIA, se hará uso de PhotoShop para incorporar los detalles de la pintura, dándole más realismo. Estos son los planos que se han estado usando todo el tiempo: 3 4Capítulo 2. Introducción Figura 2.1 Plano 1 [1] . 2.1 Proceso de investigación inicial 5 Figura 2.2 Plano 2 [1] . 12 Capítulo 3. Contexto histórico modelos diferentes de este avión reside en el objetivo de mejorar sus prestaciones. El caza no fue diseñado para alturas elevadas, ya que se diseñó a principios de la década de 1930, y no había indicios de una posible guerra. Esto hacía que a altura media si rindiese bien, pero en cuanto la altura crecía, no podía competir contra sus adversarios. Pero no todo eran malas noticias, la fabriacación era mucho más fácil y barata, además, el avión contaba con una célula muy robusta que permitía que aguantase al sufrir daños. 3.2.1 Variantes del Curtiss P-40 Todos los P-40 tenían una relación potencia-peso relativamente baja en comparación con los aviones contemporáneos. Durante toda la vida del caza, se luchó por bajar el peso, no siendo siempre posible, ya que el aumento de la prestaciones implicaba también un aumento de peso [ 3 ]. Se cambiaron los motores y se modificó incluso el fuselaje. Se detallará, a continuación, la evolución seguida desde los inicios del Curtiss P-40. •XP-40 Este modelo se mandó a fabricar el 1937, siendo el décimo rediseño del Curtiss P-36A. Este consistía en reemplazar el motor radial, Pratt & Whitney R-1830, refrigerado por aire, por un nuevo motor en línea, en concreto, se instaló el motor Allison V-1710-19, refrigerado por líquido. Por lo demás, ambos modelos eran muy parecidos, monoplanos de ala baja con el mismo armamento: dos ametralladoras de 12,7 mm en cada semiala. •P-40 Una vez se produce el primer vuelo de este avión, se realizan una serie de cambios. El XP-40 tenía el radiador debajo del fuselaje trasero y en el P-40 se movió hacia adelante, debajo del motor. •P-40A Del P-40 al P-40A solo hay una pequeña modificación. Se instala una cámara en la parte trasera del fuselaje. •P-40B Este nuevo modelo será también conocido como Tomahawk IIA. Los cambios que se producen en este caso son: el sistema de combustible está parcialmente protegido y se instalan ametralladoras adicionales en las alas. •P-40C Esta remodelación, también es llamada Tomahawk IIB. Esta versión incluía grilletes para bombas, tanques de combustible autosellantes y otras revisiones menores. Como consecuencia de estos cambios, el peso aumento, que se traducía en un impacto negativo en el rendimiento. •P-40D Con este modelo es con el que se producen los mayores cambios. Será conocido también como Kittyhawk MK-I. Tiene una toma de aire más grande para enfriar al motor, dando la forma característica de "shark mouth". Pese a ser el modelo que se va a realizar, fueron fabricados menos de 50 unidades del mismo. En concreto, se fabricaron 42, 22 para la USAAF (United States Army Forces) y 20 para la RAF (Royal Air Force). Contaba con un motor Allison más grande, el V-1710-39, que daba más potencia en altitudes mayores. El fuselaje era más estrecho y la cabina estaba mejorada. Las dos ametralladoras que tenía al frente se cambiaron a las alas, llevando dos en cada una. Podía llevar una 3.2 Curtiss P40-D 13 bomba de 500lb debajo del fuselaje. •P-40E Conocido como Warhawk, fue el más fabricado de todos. Es prácticamente igual a su versión anterior, y sus especificaciones son muy parecidas. La principal diferencia radica en que este diseño tiene un motor más potente y un cañón adicional en cada ala. Existen versiones posteriores como el P-40F, P-40L, y así hasta la versión P-40P, pero no se van a comentar ya que no influye en el proceso de diseño y modelado de nuestro avión. 3.2.2 Características técnicas En cuanto a la características técnicas del caza, se muestran en la tabla 3.1 las más importantes. Estas características se han encontrado para el modelo Warhawk, sin embargo, como las variaciones son pequeñas se tomarán como referencia. Se vio en el apartado anterior que este modelo tenía un motor diferente y un cañón adicional en el ala. Algunos de estos datos, los que están relacionados con el modelado como la envergadura, longitud, altura y superficie alar, podrán ser comparados al final. Envergadura 11.4 m (47.3 ft) Longitud 9.7 m (31.7 ft) Altura 3.3 m (10.7 ft) Peso en vacío 2686 kg (5919.9 lb) Peso máximo 4000 kg (8816 lb) Planta motora Allison V-1719-39 Velocidad de crucero 496 km/h Velocidad máxima 538 km/h Techo 8900 m (29199 ft) Tripulación Uno Superficie alar 21.9 m2(235.7 ft2) Tabla 3.1 Características técnicas del Curtiss P40 Warhawk. 14 Capítulo 3. Contexto histórico 4 Fuselaje El fuselaje es el componente estructural más grande del avión. En su interior se albergan la mayoría de sistemas y componentes como la cabina del piloto, el sistema motor y otros sistemas que permiten el control del avión. La geometría de este elemento se determina como una solución de compromiso entre una resistencia aerodinámica baja y el volumen necesario que debe tener el interior. Para el modelado se ha decidido dividir el fuselaje en el revestimiento y la estructura interna, que estará compuesta por las cuadernas y los larguerillos. 4.1 Revestimiento El revestimiento se encarga de dar la forma exterior, y suele ser de materiales que reducen la resistencia aerodinámica. Dentro del volumen que encierra se encuentra la estructura interna que soporta la mayoría de las cargas, sin ésta, el revestimiento pandearía fácilmente. Se tomará como hipótesis de ahora en adelante que todos los revestimientos de los componentes del avión serán modelados como superficie. Esto se considera una buena aproximación ya que el espesor es muy pequeño (de unos milímetros) en comparación con las demás medidas del avión. La creación del revestimiento se ha llevado a cabo usando el módulo Wireframe and Surface Design , el cuál no se aborda en la asignatura de Diseño y Fabricación asistido por ordenador del grado de Ingeniería Aeroespacial. Por lo tanto, uno de los retos de este proyecto ha sido enfrentarse a este nuevo módulo de CATIA, entre otras cosas. Una vez estamos dentro de este módulo, se trabaja en el Sketch de la misma forma y se crean las once secciones que aparecen en los planos "the BEST of WYLAM". Figura 4.1 Sketch de la sección GG. 15 16 Capítulo 4. Fuselaje Tras esto, se realiza la operación de Multi-Sections Surface, que funciona exactamente igual que la Multi- Sections Solid, con la diferencia de que en uno genera un sólido y en otro una superficie. Puesto que la geometría del fuselaje es bastante compleja porque las secciones difieren mucho tanto en geometría como en curvatura, es necesario la creación de guías para que las multisecciones vayan por donde se les indique. Se crean un total de tres guías. Dos de ellas son simétricas y se han obtenido de la unión de los puntos de corte de cada sección con un plano horizontal. La otra guía se obtiene de la unión del punto más alto de cada sección. Figura 4.2 Guías introducidas en la Multi-Section Surface. Figura 4.3 Sketch de las secciones y guías para la creación del revestimiento. Es de interés, conocer la forma en la que trabaja la Multi-Section Surface, ya que de no saberlo se vuelve muy complicado detectar los posibles fallos que puede generar. Durante el desarrollo del revestimiento surgían errores derivados de la forma en la que se recorre cada sección a la hora de generar la superficie. Cada sección involucrada en la creación del revestimiento tiene un punto de cierre, Closing Point, y un sentido de recorrido, hacia derecha o izquierda. Es importante no quedarse con los puntos que CATIA selecciona por defecto, y cambiarlos en función de lo que se necesite para llegar al resultado esperado. Es por ello que el corte de una de las guías con las secciones será el Closing Point de cada sección. 4.1 Revestimiento 17 Figura 4.4 Closing Point y sentido del recorrido de la sección. Aunque más adelante se explicará con gran grado de detalle el modelado y diseño de la cabina del Curtiss P40-D, en este punto realizamos el corte donde posteriormente irá instalada. Se ha procedido de la siguiente manera: 1. Se crea el Sketch con la forma de la cabina en el plano longitudinal. Figura 4.5 Sketch del perfil de la cabina en el plano longitudinal del avión. 2. Posteriormente, se usa la operación Extrude, que permite de una curva formar una superficie. 18 Capítulo 4. Fuselaje Figura 4.6 Sketch del perfil de la cabina extruido. 3. Usando la superficie creada, se realiza el corte entre el fuselaje y ésta con el comando Split, quedándonos con la parte del corte que se desea. Se obtiene así el revestimiento del fuselaje con el hueco de la cabina. Figura 4.7 Revestimiento con el hueco para la cabina del Curtiss P40-D. 4.2 Estructura interna 4.2.1 Cuadernas Las cuadernas son los elementos estructurales que dan la forma al revestimiento. Se colocan de forma transversal a la longitud del avión. La forma de llevar a cabo el modelado de las cuadernas ha sido usando las secciones que se usaron anteriormente para el revestimiento. Aunque solo se detallará una cuaderna, para el resto se ha seguido un procedimiento análogo al indicado. 1. Se crea un Body donde se diseñará la cuaderna. 2. Se proyecta cada sección en su plano correspondiente dentro del Body en el que se está trabajando. 3. Una vez se tiene la sección se le da un Offset de 50 mm. Este dato del espesor ha sido elegido atendiendo a diferentes aviones de referencia de los que sí se ha encontrado información. 4.2 Estructura interna 19 Figura 4.8 Offset de 50 mm para obtener la sección de la costilla GG. 4. Finalmente, se realiza un Pad de 10 mm, habiéndose elegido este valor de la misma forma que el Offset del punto anterior. Figura 4.9 Operación del Pad. Figura 4.10 Pad de 10 mm para obtener la costilla GG. Repitiendo este proceso para cada una de las diferentes secciones se obtienen todas las cuadernas que compondrán parte de la estructura interna del Curtiss P40-D. Cabe mencionar, que dos de las cuadernas modeladas no son completas ya que justo por esa zona se encuentra la cabina, por lo que se han diseñado teniendo en cuenta la posterior unión de la misma. 20 Capítulo 4. Fuselaje Figura 4.11 Resultado de las costillas del Curtiss P40-D. 4.2.2 Larguerillos Los larguerillos son una serie de barras que recorren el fuselaje longitudinalmente. Se colocan, por tanto, perpendicular a las cuadernas del avión. El diseño que se ha seguido ha sido tratar de crear barras que recorran el fuselaje y sean rectas, es decir, que estén contenidas en un plano y no tengan cambios de curvatura. Es por esto que se crean planos para que la guía de los largueros esté contenida en el mismo. Se han modelado los larguerillos de la parte derecha del fuselaje y, posteriormente, se ha usado la operación Mirror para obtener la otra mitad. El número de larguerillos se ha establecido atendiendo a las dimensiones de las secciones del fuselaje, considerándose siete suficientes. Figura 4.12 Resultado de los larguerillos del Curtiss P40-D. 4.3 Cabina 21 Se detalla, al igual que para las cuadernas, el procedimiento para uno de los larguerillos y todos los demás se harán de la misma manera. 1. Se crea un plano en el que se va a encontrar el centro de la sección del larguerillo. 2. Usando el comando Intersect se obtienen los puntos de corte del plano con cada uno de los Sketchs que definen las secciones del avión. 3. Con esos puntos, se crea una línea que será el futuro Center Curve de la operación Rib, que permite hacer un barrido de la sección del larguerillo a través de esta línea. La sección del larguerillo se ha diseñado como un rectángulo de 10 milímetros de ancho por 30 de alto. Ver el resultado en la figura 4.12. 4.3 Cabina La cabina es la estructura en la que se aloja el piloto durante el vuelo. Está compuesta por una parte fija y una parte móvil, que hace la función de puerta del avión, ya que es la única zona por la que el piloto puede acceder a la aeronave. Por otro lado, en el Curtiss P40-D se observa como una ventana trasera justo detrás de la zona móvil. Se va a dividir en dos partes el modelado de la cabina, por un lado la estructura donde se encontraría ubicado el piloto, y por otro el cristal trasero. •Parte delantera de la cabina La parte delantera de la cabina se ha modelado de la siguiente forma: primero se ha creado una estructura alámbrica, definiendo una serie de curvas que serán las Center Curve de la herramienta Rib, consiguiendo así, mediante este barrido las barras que componen esta estructura. Como datos de partida solo tenemos la geometría que ya se usó para obtener el revestimiento del fuselaje, por tanto, al modelado se le ha sumado la complejidad de elegir las dimensiones y geometrías a partir de toda la galería fotográfica de la que se dispone, con el objetivo de recrear la cabina con el mayor parecido posible a la realidad. El corte que se realizó para obtener el revestimiento se usará para obtener parte de las líneas que conforman el marco de la cabina. Figura 4.13 Pantalla de la operación Rib Definition. Figura 4.14 Operación Rib para el marco frontal de la cabina. 28 Capítulo 5. Modelado del ala Figura 5.5 Opciones para la operaciónBlend del módulo Wireframe and Surface Design. Figura 5.6 Blend del módulo Wireframe and Surface Design. Se muestra en las figuras 5.7 y 5.8, un render de como sería el resultado del ala en la unión de la Multi- Section Surface con el Blend. Se puede apreciar como la continuidad en curvatura proporciona un resultado bastante mejor al de continuidad en tangencia. Figura 5.7 Opción de continuidad en tangencia con la operación Blend.Figura 5.8 Opción de continuidad en curvatura con la operación Blend. Finalmente, tras haber indagado por el módulo de superficies de CATIA y haber aprendido diferentes comandos nuevos para conseguir modelar el ala del avión, este ha sido el resultado obtenido: 5.3 Alerón 29 Figura 5.9 Resultado final del revestimiento del ala. 5.3 Alerón Los alerones se encuentran situados en los extremos de las alas y son unas superficies que permiten el viraje del avión mediante un movimiento de alabeo. El alerón es una parte del ala, por lo que se ha usado el propio revestimiento ya generado como punto de partida en el modelado del mismo. En los planos de "The Best of WYLAM" se encuentran las cotas y la posición del alerón. Ver figura 5.10. Figura 5.10 Sketch de corte para obtener el Alerón. Una vez se tiene dibujado ese Sketch se procede a cortar la superficie del revestimiento con la operación Split, que permite realizar el corte buscado, siendo un elemento el que corta, y otro el que se va a cortar. Se puede elegir qué parte quedarse, siendo posible las tres opciones: una de las partes, la otra o ambas. En este caso se seleccionará la parte del alerón. Para realizar el corte se usa la operación Pad para construir un sólido a partir del Sketch.El resultado obtenido se muestra en la figura 5.11. 30 Capítulo 5. Modelado del ala Figura 5.11 Pad para realizar el corte y obtener el alerón. El resultado obtenido se muestra en la figura 5.12. Figura 5.12 Resultado del alerón tras el corte. 5.4 Estructura interna 31 5.4 Estructura interna 5.4.1 Costillas La lógica que se ha seguido en el diseño de las costillas ha sido equiespaciarlas a lo largo de la envergadura del ala. Usualmente estas estructuras tienen agujeros para aligerar peso, así como para que el ala este comunicada por dentro, de hecho, en la actualidad se usan como depósito de combustible en muchos aviones comerciales. En cuanto a la geometría de estos agujeros existen de diferentes formas: circulares, con agujeros trapezoidales, combinando diferentes tipos de geometría, etc. Sin embargo, se ha decidido diseñar las costillas con agujeros circulares por la escasa información encontrada para el Curtiss.El número de costillas es una incógnita, pero teniendo en cuenta las dimensiones del avión se estima que un total de ocho en cada semi-ala y una central será suficiente. Serán un total de diecisiete costillas. Se muestra a continuación el Sketch de la primera sección diseñada. Las siguientes secciones se han parametrizado de forma proporcional a la cuerda de cada perfil. Ver figura 5.13. Figura 5.13 Sección de una costilla del ala. Figura 5.14 Costillas del ala. Durante el desarrollo seguido hasta ahora no se ha tenido en cuenta que las costillas del ala no son todas continuas, ya que al tener en cuenta el alerón existe una discontinuidad en la unión de ambas. Por ello, ubicando la zona en la que se encuentra el alerón se puede realizar un Pocket para obtener dicho corte. Se ha decidido que la distancia sea de 10 milímetros. 32 Capítulo 5. Modelado del ala Figura 5.15 Pocket para separar la costilla del ala y del alerón. Figura 5.16 Resultado final de las costillas teniendo en cuenta el alerón. 5.4.2 Largueros La definición de los largueros se ha realizado teniendo presente que no exista colisión con los agujeros de las costillas. Serán un total de dos largueros, uno situado cerca del borde de ataque, y el otro situado entre los dos últimos agujeros. Se describe el proceso seguido: 1. El primer paso es la búsqueda de dos planos en los que situar los largueros con la finalidad dicha al comienzo del apartado, no cortar los agujeros. 2. En la primera y última costilla, lo que se traduce en la más grande y la más pequeña respectivamente, se realizarán los Sketchs de las secciones de cada larguero. Estas secciones se han hecho de un espesor de 15 milímetros y la parte superior e inferior son la proyección del propio Sketch de la costilla. 3. Por último, se usa la operación Multi-Section Solid definiéndose los Closing Points y el recorrido de cada sección para obtener el resultado buscado. 5.4 Estructura interna 33 Figura 5.17 Multi-Section Solid para la construcción del larguero. El resultado final de la estructura interna se obtiene al unir las costillas con los largueros. Se observa en la figura 5.18 como quedaría el ala al finalizar el modelado. Figura 5.18 Resultado final de los largueros del ala. 34 Capítulo 5. Modelado del ala 6 Modelado del estabilizador horizontal El estabilizador horizontal está compuesto por un elemento fijo y un elemento móvil, el timón de profundidad. El timón de profundidad permite el control del momento de cabeceo del avión, es decir, poder subir o bajar. Su modelado seguirá la misma línea que la del ala. 6.1 Revestimiento Toda la información relativa a las cotas en planta del estabilizador horizontal vienen en los planos usados. Además,también se dispone de una de las secciones del mismo. Se va a suponer de ahora en adelante que todas las secciones son iguales en forma, lo cual es una hipótesis bastante acertada porque normalmente esto es así. Para la elección del perfil NACA se vuelve a realizar el procedimiento explicado en el ala: emax c ·100 =9.55 % Se prueba, por tanto, con los perfiles NACA 0009 Y 0010 para ver cuál se asemeja más. Para esto se ha usado de nuevo AutoCad superponiendo el perfil NACA con el perfil que se tiene en los planos. Ver figuras 6.1 y 6.2. Figura 6.1 Superposición del perfil NACA 0009 con la sección del estabilizador horizontal [4]. Figura 6.2 Superposición del perfil NACA 0010 con la sección del estabilizador horizontal [4]. El perfil NACA 0009 se adapta algo mejor a la sección por lo que el revestimiento será modelado importándolo desde el archivo de Excel a CATIA. En cuanto al proceso seguido en CATIA, estos son los pasos seguidos: 1. Se dibuja la planta del estabilizador horizontal con las cotas que tenemos en el plano. En la imagen se muestran un total de cuatro Sketchs diferentes que se corresponden con las dos secciones de los extremos, y las dos guías que se usarán justo en el siguiente paso. 35 36 Capítulo 6. Modelado del estabilizador horizontal Figura 6.3 Forma en planta del estabilizador horizontal. 2. Se realiza la operación Multi-section con los Sketchs que se hicieron el apartado anterior. No es necesario introducir más de dos secciones ya que son iguales, y con las guías se adapta a la longitud exigida por los planos. Figura 6.4 Multi-Section para el revestimiento del estabilizador horizontal. 3. Finalmente, se utiliza la operación Blend para cerrar la superficie por la parte superior y tras realizar una operación de Symmetry queda totalmente cerrada. 6.2 Estructura interior 37 Sin embargo, observando los planos en detalle, se aprecia que el estabilizador horizontal tiene un hueco central por el que pasará posteriormente en el ensamblaje el estabilizador vertical. Por tanto, se ha realizado un corte con las cotas indicadas en el plano, para así obtener el revestimiento final. Figura 6.5 Resultado final del revestimiento del estabilizador horizontal. 6.2 Estructura interior La forma del estabilizador horizontal no dista mucho del ala, es más, su estructura es parecida. La estructura consta de costillas y de largueros. Se modelarán tomando las suposiciones correspondientes que den lugar a un resultado satisfactorio. 6.2.1 Costillas Se han establecido un total de cinco costillas con un espesor de diez milímetros cada una de ellas. Al igual que se hizo con las alas, se han dotado de ciertos agujeros con el objetivo de reducir el peso del avión, y tratando de ser fiel a las típicas costillas de los cazas de la Segunda Guerra Mundial. En cuanto a lo que se refiere al modelado, puesto que sólo se cuentan con dos secciones, las que conforman la Multi-Section Surface del revestimiento, se ha procedido a obtener las otras tres secciones de las costillas restantes. Esto se ha hecho siguiendo los siguientes pasos: 1. Se crea un Sketch con una línea vertical en el plano en que vaya dicha sección. Cabe mencionar que las costillas se han equiespaciado a 356 milímetros. 2. Con esa línea vertical, se usa la herramienta extrude para obtener una superficie en la zona donde va la costilla. 44 Capítulo 7. Modelado del estabilizador vertical Figura 7.1 Secciones y contorno del estabilizador vertical. 2. Operación Multi-section con las secciones anteriores para obtener parte del revestimiento. Figura 7.2 Multi-section de las secciones del estabilizador vertical. 3. Usando la operación Blend, se cierra tanto la parte trasera como la parte que va justo encima del fuselaje. Sin embargo, como se aprecia en esta figura, el resultado no es suficientemente bueno, por lo que se busca otra alternativa en el siguiente apartado. 7.1 Revestimiento 45 Figura 7.3 Operación Blend en la parte trasera del estabilizador vertical. En la figura 7.4 el resultado obtenido con este procedimiento pero como se ve, el resultado no es suficientemente bueno porque en la zona donde acaba el fuselaje y comienza el estabilizador hay una discontinuidad importante. Figura 7.4 Resultado de la prueba del estabilizador vertical. 7.1.2 Revestimiento definitivo Para hacer frente a los problemas que se obtenían del modelado que se ha explicado en la sección anterior, se optó por introducir secciones horizontales en lugar de verticales. En los planos utilizados aparece una sección del estabilizador vertical , pero no se cuenta con ninguna información relativa a las cotas. Se ha hecho uso de AutoCad para obtener las medidas necesarias para la definición de la geometría de esta. En primera instancia se intentó seguir el procedimiento que se siguió para alas y estabilizador horizontal, obteniendo un perfil NACA, sin embargo, al superponer estas secciones en AutoCad no se obtenía un buen resultado. Como solución a esto se ha redibujado la sección en AutoCad para después acotarla y obtener la geometría más aproximada. El proceso seguido en CATIA se detallará a continuación: 46 Capítulo 7. Modelado del estabilizador vertical 1. En el Sketch se dibuja la sección con las medidas obtenidas. Las siguientes secciones se trasladan para que coincidan con los puntos inicial y final del estabilizador, que también se habrá realizado previamente en otro Sketch, y se escalan, usando las funciones Translate yScale respectivamente. Figura 7.5 Secciones y contorno del estabilizador vertical. 2. Una vez están hechas todas las "líneas" que se van a usar, con la operación de Multi-Section Surface se define parte del revestimiento. Figura 7.6 Multi-Section para el revestimiento del estabilizador vertical. 3. Con la operación Blend se cierra la parte superior, se hace justo en el extremo para minimizar la discontinuidad que provoca la intersección de dos curvas perpendiculares. 7.1 Revestimiento 47 Figura 7.7 Blend parte superior del estabilizador vertical. 4. Por último, se cierra el revestimiento con un Blend en el extremo posterior. Figura 7.8 Blend parte inferior del estabilizador vertical. Se muestra a continuación el resultado final: Figura 7.9 Resultado definitivo del revestimiento del estabilizador vertical. 48 Capítulo 7. Modelado del estabilizador vertical 7.2 Estructura interior La lógica que se ha seguido para el diseño de la estructura interna ha sido similar a la del estabilizador horizontal. Atendiendo a la literatura, e investigando sobre aviones de la misma época que el Curtiss P40-D se ha establecido el número de costillas y largueros que compondrán el modelado del avión. 7.2.1 Costillas En el diseño de las costillas se ha elegido un total de cinco. El modelado se lleva a cabo creando cinco planos a la distancia establecida, y tras esto realizando la intersección entre dichos planos con el revestimiento del estabilizador vertical usando la operación Intersect. Una vez se tiene el contorno de la costilla tras el corte, se realiza un Pad de 10 mm a cada costilla. Para asemejar aún más las costillas del Curtiss P40-D a las de los aviones de la época, se le realizan agujeros en cada una de las costillas. El diámetro de estos agujeros así como la distancia entre ellos han sido elegidos teniendo en cuenta la forma del estabilizador, para evitar posibles colisiones con la parte móvil del mismo o con el larguero, que será posteriormente descrito. Figura 7.10 Costillas del estabilizador vertical. Sin embargo, al estar compuesto el estabilizador por el timón de dirección, las costillas estarán dividas en partes para permitir el grado de libertad correspondiente. Esto se ha realizado cortando las costillas definidas anteriormente por las zonas que delimitan la parte fija y móvil. Para ello se realiza un Pocket, tomando como Sketch el área que encierra la curva del corte y un Offset a 10 mm de ella tal y como se muestra a continuación: 7.2 Estructura interior 49 Figura 7.11 Sketch para realizar el Pocket a las costillas. Por último, se muestra el resultado obtenido para las costillas del estabilizador vertical. Figura 7.12 Resultado final de las costillas del estabilizador vertical. 7.2.2 Larguero Una vez se tienen las costillas modeladas, los largueros se sitúan de forma compatible con el diseño de las mismas. Es por esta razón que se han colocado dos, sin que corten ninguno de los agujeros de las costillas. La forma de proceder ha sido realizando un Pad, siendo necesario para el larguero que no es vertical, darle como entrada la dirección que debe llevar. Previo a esa operación, en otro Sketch diferente se dibuja la sección del larguero, en este caso, se ha optado por una sección circular de diámetro 25 mm. 50 Capítulo 7. Modelado del estabilizador vertical Figura 7.13 Largueros del estabilizador vertical. 7.3 Timón de dirección De la misma forma en que se ha procedido en el timón de profundidad del estabilizador horizontal, para obtener las superficies de control del avión se realizan cortes al revestimiento (los cortes de las costillas ya se han hecho y se mostró previamente). Estos cortes se hacen con la operación Split. El corte se hace entre superficies, por ello, la geometría que lo delimita en el plano es una curva, y debe extruirse mediante el comando Extrude. Figura 7.14 Revestimiento timón de dirección. Los planos muestran que existe otro grado de libertad, ya que la parte trasera del avión consta de otra superficie de control. El procedimiento es exactamente igual al explicado anteriormente. 7.3 Timón de dirección 51 Figura 7.15 Revestimiento de la parte trasera del timón de dirección. 52 Capítulo 7. Modelado del estabilizador vertical 8 Hélice La hélice del Curtiss es una hélice tripala con torsión. La torsión permite que la fuerza sea uniforme a lo largo de toda la pala, permitiendo que las tensiones sean más favorables que en el caso en que no tienen torsión. En este apartado, se modelaran por un lado las palas, y por otro lado el cono delantero del que sale cada pala. 8.1 Palas de la hélice Los planos utilizados presentan una información bastante reducida para el modelado de las palas de la helice, de hecho, el único dato con el que se cuenta es el radio de la misma. Esto hace que sea necesario usar otra vertiente para tratar de aproximarnos lo máximo posible a la realidad. Es por ello, que se hace uso de fotografías del avión, así como información sobre las secciones y ángulos típicos para el correcto diseño de las palas de la hélice. El modelado se ha realizado siguiendo la lógica del ala: 1. Elección de un perfil aerodinámico, así como los parámetros del mismo e importarción a CATIA usando macros de Excel. 2. Realizar Multi-section surface con las secciones, usando como guías unos Splines de los bordes de las secciones para garantizar que la operación se realiza correctamente. 3. Cerrar el borde con la operación Blend. 4. Se une la superficie en uno y se convierte en sólido. 5. Tras esto, solo queda triplicar la pala haciendo uso de la operación Circular Pattern. El perfil usado ha sido el NACA 2412, y en la propia página web ha sido posible seleccionar las características del perfil, en concreto: la cuerda, el pitch y el espesor. Estas características han sido seleccionadas atendiendo a la literatura, aunque se ha tomado como referencia el siguiente diseño, adaptado, por supuesto, a las medidas de la pala en cuestión. 53 60 Capítulo 9. Tren de aterrizaje 10 Detalles En este apartado se realizará el modelado de ciertas partes del avión que no son estructurales sino que son detalles finales del diseño. 10.1 Mira Este elemento servía, al ser el Curtiss P40-D un avión de guerra, para que el piloto disparase de forma más precisa. Se sabe que este dispositivo venía incorporado por todas las fotografías vistas, pero en los planos que se han usado no viene nada acerca de ella. Se hará un diseño teniendo como referencia las diferentes fotografías con las que se cuenta. En la figura 10.1 se observa el Sketch, a este círculo se le hará posteriormente un Pad y la barra sobre la que se sostiene está hecha con la operación Rib, usando como guía una línea vertical que va desde el revestimiento del fuselaje hasta el corte con el círculo. Figura 10.1 Sketch de la sección que define la mira. Tras esto, se hará un Pad de sección circular que definirá la parte interna de la mira y haciendo uso del Circular Pattern Definition como se puede apreciar en la figura 10.2 se obtiene el resultado esperado. Ver figura 10.3. 61 62 Capítulo 10. Detalles Figura 10.2 Pantalla para realizar el Circular Pattern Definition. Figura 10.3 Resultado tras aplicar el patrón circular. Se ha realizado un renderizado para obtener la imagen 10.4 en la que se observa la mira incorporada en fuselaje del avión. Figura 10.4 Renderizado de la mira incorporada en el fuselaje. 10.2 Toma de aire El avión cuenta con unas tomas de aire para el motor. Una se encuentra en la zona superior del motor, justo encima del fuselaje, y la otra está justo debajo de la hélice, delante del motor. Se mostrará el detalle que se le ha hecho a estos dos elementos. •Zona superior Este detalle se ha hecho realizando un Rib. En primer lugar se ha hecho un Sketch con la forma que tiene la vista frontal de la toma y en otro Sketch se ha dibujado una línea que corta con el fuselaje. La función de esta línea es ser la guía para el Rib. Ver figuras 10.5 y 10.9. Figura 10.5 Vista lateral de la toma. Figura 10.6 Vista frontal de la toma. 10.3 Antena 63 La figura 10.7 muestra el renderizado con el resultado final. Figura 10.7 Resultado de la toma supeior. •Zona inferior El diseño de la zona inferior es muy simple, basta con realizar un Pad al Sketch de la figura 10.8. Figura 10.8 Sketch con la forma de la toma inferior. Figura 10.9 Pad para obtener la toma inferior. 10.3 Antena Al igual que en el caso de la mira, la antena se trata de asemejar lo máximo posible a las fotografías. En algunas imágenes encontradas la antena no sale con el cable que va unido desde ésta al estabilizador vertical, pero en este diseño si se incorporará este cable. El proceso seguido ha consistido en crear en el plano de simetría del avión la sección, que se ha diseñado por falta de información, y realizarle un Pad para darle el espesor buscado. Ver figura 10.10. 64 Capítulo 10. Detalles Figura 10.10 Sketch de la sección de la antena. Una vez está el fuselaje, que es donde se encuentra la antena, ensamblado con el estabilizador vertical, se realiza de nuevo otro Pad que definirá el cable como se muestra en la figura 10.11 Figura 10.11 Resultado final de la antena. 11 Resultados Una vez están todos los conjuntos modelados, se hace uso del módulo Assembly Design en el que se ensamblan todas las piezas que conforman el avión. Este módulo se conocía al inicio del trabajo ya que forma parte del temario de la asignatura Diseño y Fabricación Asistidos por Ordenador del grado, por esta razón, se explicarán brevemente cada una de las herramientas que se han utilizado para llevar a cabo el ensamblaje del avión. •Fix: Operación con la que se fija una pieza en el espacio. •Coincidence: Permite la restricción de coincidencia entre ejes, puntos o planos. •Offset: Fija la distancia que se le indique entre diferentes piezas. •Contact: Establece el contacto entre dos elementos elegidos. •Angle: Permite elegir un ángulo entre dos líneas o planos. • Manipulation: Con esta opción se puede mover cada uno de los archivos .catpart por el espacio. Es posible elegir la opción "With respect to constraints", que solo permite el movimiento respetando las restricciones que se tengan ya definidas. • Update: Actualiza todas las restricciones, es necesario hacerlo cada vez que se quiera ver cómo es el resultado. Cada uno de los elementos que componen el Curtiss P40-D se insertan usando el comando Insert, eligiendo la opción Existing Component. Mencionar también, que al tener el ala un ángulo con respecto al plano horizontal, se ha tenido que modelar el semi-ala y no el ala completa y una vez en el módulo de Assembly Design, se usa la herramienta Assembly Symmetry para obtener el otro semi-ala. Se podría exponer una a una las restricciones que se han tomado para llegar al resultado final, sin embargo, no se entrará en el detalle de cada una de las restricciones por la simplicidad de las mismas. Al haberse dividido el avión en pocos subconjuntos, concretamente en seis (tren de aterrizaje, alas, estabilizador horizontal, estabilizador vertical, hélice y fuselaje), el árbol de modelado no es muy grande. Se deja el árbol, ver figura 11.1, para que quede constancia de todas y cada una de las operaciones elegidas. Se han realizado dos archivos .catprodut, uno en el que se incluye el tren de aterrizaje que correspondería al momento en que el avión está en tierra o en las fases de despegue o aterrizaje, y otro archivo sin él que se correspondería con la fase de crucero. 65 Figura 11.1 Árbol de modelado con las restricciones el módulo Assembly Design. El resultado tras haberlo ensamblado todo y pintar el avión es el siguiente: Figura 11.2 Modelo ensamblado y pintado. Se ha seleccionado uno de los planos utilizados durante todo el trabajo y se ha creado una imagen con las mismas vistas que se muestran en él para obtener una comparativa entre ellos. Al finalizar el apartado se analizarán los resultados relativos a las cotas. Figura 11.3 Plano del Curtiss P40-D. Figura 11.4 Vistas del modelo ensamblado. Se van a presentar una serie de imágenes que han sido renderizadas con CATIA. Su post-producción se ha realizado con PhotoShop ya que se ha querido plasmar en el modelo una de las cosas más características del Curtiss P40, la boca que lleva dibujada en el morro del avión. Para conseguir una buena calidad de la imagen, en la herramienta Render de CATIA se pueden cambiar las opciones que vienen por defecto para tener una imagen mejor. En la figura 11.5 se muestran los valores que se han seleccionado. Aunque con estos parámetros el renderizado lleve un tiempo mayor, merece la pena atendiendo a los resultados. Figura 11.5 Opciones de la herramienta Render. Figura 11.6 Imagen 1 renderizada. A continuación, se va a mostrar la comparativa entre diferentes fotografías reales del avión y la imagen renderizada correspondiente para apreciar su similitud. Figura 11.7 Fotografía 2 [6]. Figura 11.8 Imagen 2 renderizada . Bibliografía [1] W. Winter, Best of Wylam. Air Age INC, 1964. [2] L. Dwyer, “The aviation history online museum.” [Online]. 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