Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis)

Equation Chapter 1 Section 1 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Dpto. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Autora: Irene Lozano Gallego Tutor: Manuel Morato Moreno Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Autora: Irene Lozano Gallego Tutor: Manuel Morato Moreno Profesor titular Dpto. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Proyecto Fin de Carrera: Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Autora: Irene Lozano Gallego Tutor: Manuel Morato Moreno El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 El Secretario del Tribunal A mi familia A mis maestros Agradecimientos Este trabajo supone el fin de una bonita y a la vez compleja etapa. Gracias a Manuel Morato Moreno, mi tutor, por su dedicación y consejos durante todo el desarrollo del trabajo. Me gustaría agradecer a mi familia y amigos su apoyo constante durante estos años que ha hecho más llevadero el camino. Irene Lozano Gallego Grado en Ingeniería Aeroespacial Sevilla, 2019 Figura 4-15 Resultado del Body 1: Costillas del ala superior 23 Figura 4-16 Definición de los largueros mediante Multi-Sections Solid 24 Figura 4-17 Definición de la unión entre el ala superior y la zona central 25 Figura 4-18 Sketchs de definición de los cordones 25 Figura 4-19 Rectangular Pattern aplicado sobre los cordones 26 Figura 4-20 Larguerillos del ala superior 26 Figura 4-21 Acotación del espesor del borde 27 Figura 4-22 Pockets de definición del borde del ala superior 27 Figura 4-23 Resultado del Body 3 27 Figura 4-24 Multi-Sections Surface del ala superior 28 Figura 4-25 ThickSurface sobre la superficie del ala superior 28 Figura 4-26 Resultado del modelado del ala superior 29 Figura 4-27 Ilustración del ala superior 29 Figura 4-28 Sketch sobre el plano de la forma en planta del ala inferior 30 Figura 4-29 Sketch obtenido de la forma en planta del ala inferior 30 Figura 4-30 Sketchs de las guías y perfiles aerodinámicos del ala inferior 31 Figura 4-31 Resultado Multi-Sections Solid del ala inferior 31 Figura 4-32 Sketchs de vaciado y guías del ala inferior 31 Figura 4-33 Vaciado y definición de las costillas del ala inferior 32 Figura 4-34 Detalle de las últimas costillas del ala inferior 32 Figura 4-35 Ejemplo de Multi-Sections Solid empleado en un larguero 33 Figura 4-36 Largueros modelados del ala inferior 33 Figura 4-37 Definición de los extremos de los largueros 33 Figura 4-38 Detalle Multi-Sections Solid 34 Figura 4-39 Pocket dedicado a la unión del ala inferior con el fuselaje 34 Figura 4-40 Definición de cordones y larguerillos del ala inferior 34 Figura 4-41 Evolución del modelado del borde en el ala inferior 35 Figura 4-42 Multi-Sections Surface del ala inferior 36 Figura 4-43 ThickSurface sobre el ala inferior 36 Figura 4-44 Resultado del ala inferior 36 Figura 4-45 Ilustración del ala inferior 37 Figura 4-46 Definición del sólido de la zona central 37 Figura 4-47 Definición de las costillas en la zona central 38 Figura 4-48 Mirror Definition en la zona central 38 Figura 4-49 Sketchs de vaciado dedicados a los largueros de la zona central 38 Figura 4-50 Sketchs de vaciado de la zona central 39 Figura 4-51 Resultado de los agujeros sobre las costillas de la zona central 39 Figura 4-52 Evolución del modelado de los perfiles en I de las costillas 39 Figura 4-53 Proyección de los agujeros de los largueros 40 v Figura 4-54 Definición de los largueros de la zona central 40 Figura 4-55 Cordones en la zona central 41 Figura 4-56 Refuerzos trenzados de la zona central 41 Figura 4-57 Multi-Sections Surface Definition en la zona central 41 Figura 4-58 ThickSurface Definition sobre la superficie central 42 Figura 4-59 Resultado de la zona central 42 Figura 4-60 Ilustración de la zona central 42 Figura 4-61 Fotografía de la cola en vuelo 43 Figura 4-62 Ilustración de la cola 43 Figura 4-63 Acotaciones iniciales del estabilizador horizontal 43 Figura 4-64 Sketch inicial del estabilizador horizontal 43 Figura 4-65 Sketchs del estabilizador horizontal sobre el plano 44 Figura 4-66 Guías y secciones base del estabilizador horizontal 44 Figura 4-67 Multi-Sections Solid del estabilizador horizontal 45 Figura 4-68 Definición y distribución de las costillas 45 Figura 4-69 Definición de la sección en I de las costillas 46 Figura 4-70 Rectangular Pattern para la definición de las secciones 46 Figura 4-71 Removed Multi-Sections Solid dedicado al larguero 1 47 Figura 4-72 Agujeros sobre las costillas mediante Pocket 47 Figura 4-73 Agujeros sobre las costillas mediante Multi-Pocket 47 Figura 4-74 Removed Multi-Sections Solid dedicado a larguero 2 48 Figura 4-75 Definición del borde del estabilizador horizontal 48 Figura 4-76 Modelado de largueros 49 Figura 4-77 Ilustración del estabilizador horizontal 49 Figura 4-78 Agujeros sobre los largueros 49 Figura 4-79 Definición completa de los largueros 50 Figura 4-80 Ilustración del timón de profundidad 50 Figura 4-81 Extrusión del larguero 51 Figura 4-82 Resultado del Body 1 y 2 51 Figura 4-83 Ilustración del estabilizador horizontal 51 Figura 4-84 Definición de la superficie del estabilizador horizontal 52 Figura 4-85 Detalle del espesor del revestimiento 52 Figura 4-86 Mirror sobre el revestimiento 52 Figura 4-87 Resultado del revestimiento del estabilizador horizontal 53 Figura 4-88 Acotaciones iniciales del estabilizador vertical 53 Figura 4-89 Sketch inicial del estabilizador vertical 53 Figura 4-90 Sketch sobre el plano del estabilizador vertical 54 Figura 4-91 Perfil del estabilizador vertical 54 Figura 4-92 Definición de la superficie superior del estabilizador vertical 55 Figura 4-93 Definición de la superficie inferior del estabilizador vertical 55 Figura 4-94 ThickSurface sobre la superficie del estabilizador vertical 55 Figura 4-95 Fotografía de cola de una réplica del I-15 56 Figura 4-96 Ilustración del estabilizador vertical 56 Figura 4-97 Definición y distribución de las costillas 56 Figura 4-98 Ejemplo de Offset sobre el perímetro de la costilla 57 Figura 4-99 Detalle de los perfiles en I 57 Figura 4-100 Rectangular Pattern asociado a los perfiles en I 57 Figura 4-101 Distribución final de las costillas 58 Figura 4-102 Modelado del larguero principal 58 Figura 4-103 Multi-Pocket 1 sobre las costillas 59 Figura 4-104 Multi-Pocket 2 sobre las costillas 59 Figura 4-105 Definición del borde 60 Figura 4-106 Ilustración estabilizador vertical 60 Figura 4-107 Ilustración del timón de dirección 60 Figura 4-108 Multi-Sections Solid inicial dedicado a larguero 61 Figura 4-109 Multi-Sections Solid final dedicado a larguero 61 Figura 4-110 Multi-Sections Solid dedicado al larguero vertical 62 Figura 4-111 Perfil detallado de la estructura 63 Figura 4-112 Ilustración de la estructura del fuselaje 63 Figura 4-113 Captura de video sobre la construcción de una réplica 63 Figura 4-114 Posicionamiento y definición de planos y sketchs principales 64 Figura 4-115 Rib de la primera cuaderna 64 Figura 4-116 Rib de la cuarta cuaderna 65 Figura 4-117 Resultado de las cuadernas 65 Figura 4-118 Definición de las guías superior e inferior 65 Figura 4-119 Detalle de Pad empleado 66 Figura 4-120 Definición de guías dedicadas a las diagonales 66 Figura 4-121 Detalle de Pad empleado en los refuerzos inferiores 66 Figura 4-122 Detalle de Rib empleado en la zona posterior 67 Figura 4-123 Detalle de Rib empleado en la zona frontal 67 Figura 4-124 Mirror sobre la estructura generada 68 Figura 4-125 Ilustración del fuselaje 68 Figura 4-126 Resultado de la estructura del fuselaje 68 Figura 4-127 Perfil de la estructura modelada sobre el plano escalado 69 Figura 4-128 Sketchs de los cortes del fuselaje empleados 69 Figura 4-129 Guías superior e inferior del fuselaje sobre el perfil 70 Figura 4-130 Guías laterales del fuselaje sobre la vista en planta 70 Figura 4-131 Split sobre las guías del fuselaje 71 vii Figura 4-132 Multi-Sections Surface asociado a la primera mitad del fuselaje 71 Figura 4-133 Multi-Sections Surface asociado a la segunda mitad del fuselaje 72 Figura 4-134 Multi-Sections Surface asociado a la zona central del fuselaje 72 Figura 4-135 ThickSurface sobre las superficies definidas 73 Figura 4-136 Revestimiento sobre el perfil original 73 Figura 4-137 Revestimiento sobre la vista en planta original 73 Figura 4-138 Revolution Surface sobre el capó 74 Figura 4-139 ThicknessSurface sobre el capó 74 Figura 4-140 Detalle de la geometría frontal 74 Figura 4-141 Sketch reducido sobre el plano del habitáculo del piloto 75 Figura 4-142 Sketch ampliado sobre el plano del habitáculo del piloto 75 Figura 4-143 Sketch del perímetro del cristal de la cabina 76 Figura 4-144 Proyección sobre el fuselaje del perímetro del cristal 76 Figura 4-145 Multi-Sections Surface del cristal de la cabina 76 Figura 4-146 Geometría final del cristal de la cabina 77 Figura 4-147 Perfil del asiento del piloto 77 Figura 4-148 Vista frontal del asiento del piloto 77 Figura 4-149 Pad del respaldo del piloto 78 Figura 4-150 Modelado del asiento 78 Figura 4-151 Multi-Sections Solid sobre la base del asiento 79 Figura 4-152 Ilustración de la cabina 79 Figura 4-153 Configuración de la cabina 80 Figura 4-154 Ilustración del panel de control 80 Figura 4-155 Modelado del panel de control 80 Figura 4-156 Guías del carenado del tren 81 Figura 4-157 Sweep aplicado al carenado del tren 81 Figura 4-158 Unión del tren al revestimiento del fuselaje 81 Figura 4-159 Comparación de la geometría obtenida con las ilustraciones de partida 82 Figura 4-160 Detalle de la hélice 82 Figura 4-161 Modelado de la primera pala 83 Figura 4-162 Obtención de la segunda pala mediante simetría 83 Figura 4-163 Detalle del buje en una fotografía 83 Figura 4-164 Buje modelado 83 Figura 5-1 Planos del modelo Polikarpov I-152 85 Figura 5-2 Perfil del modelo sobre el plano 85 Figura 5-3 Alzado superior del modelo sobre el plano 86 Figura 5-4 Alzado inferior del modelo sobre el plano 86 Figura 5-5 Vista general del modelo Polikarpov I-152 86 Figura 5-6 Detalle del modelo Polikarpov I-152 87 Figura 5-7 Fotografía del Polikarpov I-152 en el hangar de Reus (España) 87 Figura 5-8 Modelo Polikarpov I-152 en hangar 87 Figura 5-9 Fotografía del Polikarpov I-152 en vuelo 88 Figura 5-10 Modelo Polikarpov I-152 en vuelo 88 Figura 5-11 Vista desde la cola del modelo Polikarpov I-152 88 Figura 5-12 Detalle del modelo Polikarpov I-152 89 Figura 5-13 Bill of Material 89 Figura 5-14 Superficie alar del modelo 89 Figura 5-15 Masa final del modelo 89 1 1 INTRODUCCIÓN En este trabajo fin de grado se reconstruye la aeronave Polikarpov I-15bis mediante la utilización del Software CATIA V5R19 a partir de una exhaustiva búsqueda de sus planos. Este caza de origen soviético es una versión del Polikarpov I-15, apodado durante la Guerra Civil Española como el Chato debido a su geometría. Su pertenencia a la gama de aviones Polikarpov le sitúa dentro de una de las líneas de desarrollo de ingeniería aeronáutica más interesantes de la primera mitad del siglo XX. Las réplicas de aeronaves y sus maquetas permiten materializar parte de la historia de la aviación. La recreación virtual de aviones, máquinas y estructuras, además de ofrecer la capacidad de visualizar y estudiar en detalle el objeto de una forma cómoda y eficaz, contribuyen a preservar sus diseños en formato digital 3D más acorde a nuestro tiempo. 1.1 Objetivos del trabajo El contenido y estructura de este trabajo responde a los siguientes objetivos: • Situar a la aeronave Polikarpov I-15bis en el convulso periodo histórico en el que se desarrolló, incluyendo una reseña biográfica de su reconocido creador Nikolai Nikolaevich Polikarpov. • Recopilar las características técnicas de la aeronave, así como sus versiones más relevantes. • Modelar mediante el software CATIAV5 los elementos más importantes que conforman el caza a partir de planos, ilustraciones y fotografías de la aeronave original. • Comparar el resultado final obtenido tras el modelado renderizado con el modelo original. 3 2 ESTRUCTURA DEL TRABAJO El trabajo consiste principalmente en la recreación virtual del caza I-15bis a partir de planos y documentos que aportan información veraz sobre la aeronave original. Por esta razón, la búsqueda de planos es uno de los pasos más importantes en el trabajo y se abarcará en el primer apartado. En segundo lugar, tras acotar y verificar las medidas más relevantes, se procede al modelado de la aeronave con CATIAV5R19. Finalmente se concluirá con una comparación entre el diseño final de la aeronave y la original a partir de los planos de partida y fotografías históricas. 2.1 Documentación e investigación inicial El primer paso en este trabajo fue la elección de la aeronave a modelar. Se comenzó investigando aeronaves peculiares a lo largo de la historia fijando especial atención a modelos cuyos diseños resultaron innovadores respecto a su tiempo, sin embargo, la gran mayoría apenas consiguió perdurar. Durante este proceso de búsqueda la idea inicial pasó a un segundo plano y se consideró más importante el papel desempeñado por las aeronaves en la historia. La aviación contempló grandes avances en épocas de conflicto donde desempeñaron una importante función a nivel militar, por esta razón existen una amplia gama de cazas relevantes. La siguiente selección de aeronaves, cuyos planos recopilados durante la búsqueda pueden consultarse en el Anexo, fueron consideradas las más atractivas para proceder a su modelado: • Polikarpov I-15bis • HS-42 • Morane Saulnier • Nieuport • Polikarpov I-5 • Spad XIII Finalmente, tras mostrar las propuestas al tutor, las aeronaves en las que se centró la decisión final fueron el Polikarpov I-15bis y HS-42. La aeronave soviética I-15bis fue la elección final ya que su carácter de biplano puro atrajo personalmente mi atención frente a la aeronave de Hispano Suiza. La decisión también estuvo influida por la relevancia de su creador, el ingeniero N.N. Polikarpov. Estructura del Trabajo 4 Figura 2-1 Polikarpov I-15bis 2.2 Programas empleados en escalado y acotación Durante el proceso, la principal fuente de información han sido los documentos encontrados mediante internet. Al trabajar con documentos digitales, algunos de ellos fotografías y documentos escaneados, la elección de los planos ha de tratarse con especial cuidado para reducir dentro de lo posible los posibles errores que puedan arrastrar en las medidas dichos documentos. Por esta razón se trabajó a lo largo del diseño con dos planos que abarcan el alzado, planta (superior e inferior) y perfil de la aeronave. Para la acotación mediante ordenador de los planos se contrastaron en manuales, libros y revistas dos medidas relevantes para proceder con el escalado de la imagen, las medidas fueron la envergadura de 10.2m y el diámetro de la hélice de 2.8m. Gracias a la ayuda del tutor se realizó el escalado y las principales acotaciones que caracterizan al Polikarpov I-15bis mediante el software AutoCAD. Durante la primera mitad del modelado las medidas fueron tomadas empleando AutoCAD y en la segunda mitad, tras descubrir el módulo de Sketch Tracer, se utilizó CATIA. La familiaridad con dicho software y la posibilidad de trabajar de forma conjunta con los planos escalados y modelar al mismo tiempo que el módulo permite fueron la razón del cambio de técnica empleada para la comparación del modelo real y la recreación. 2.3 Modelado Fundamentalmente el software empleado en este trabajo es CATIA como se mencionó anteriormente. La base técnica fue adquirida en la asignatura de “Diseño y Fabricación Asistidos por Ordenador” impartida en la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla. El módulo Part Design fue ampliamente utilizado en este trabajo al igual que en la asignatura, sin embargo, el trabajo con el módulo Generative Surface Design fue imprescindible para definir las diversas superficies que conforman la aeronave debido a la complejidad de geometrías que admite modelar, así como el módulo Sketch Tracer. Por esta razón este trabajo ha supuesto un interesante reto al permitirme profundizar, aprender y descubrir parte de las aplicaciones que ofrece este software. 5 3 POLIKARPOV I-15BIS El Polikarpov I-15bis fue el resultado de la evolución del caza soviético Polikarpov I-15. Esta serie recibe su nombre por el apellido de su creador y su carácter luchador (I= Istrebitel =caza). 3.1 Nikolai Nikolaevich Polikarpov Nikolai Nikolaevich Polikarpov fue un importante ingeniero aeronáutico soviético que diseñó algunos de los cazas más importantes en el periodo de entreguerras e inicios de la Segunda Guerra Mundial. Comenzó estudiando en el Seminario Eclesiástico de Oriol al ser el hijo de un cura ortodoxo, sin embargo, decidió ingresar en 1911 en la Universidad Politécnica de San Petersburgo donde estudió Aviación y Aeronáutica. Durante sus estudios realizó prácticas y trabajó con Igor Sikorski en la construcción del bombardero Ilya Muromets, el primer bombardero estratégico cuatrimotor que fue empleado en la Primera Guerra Mundial. En su carrera profesional fue enlazando proyectos de alto nivel, la asignación de dos proyectos de dos aeronaves de Andrei Tupolev para la URSS marcó un punto de inflexión en su carrera. Dicho proyecto no cumplió las fechas establecidas por el régimen y este hecho fue considerado sabotaje lo que conllevó su arresto por la OGPU en 1929. Su condena inicial fue la pena de muerte que fue sustituida por 10 años de trabajos forzados. En 1931 se realizaron pruebas de vuelo de uno de sus prototipos del I-5 que mostraron su potencial. Ese mismo año, su pena fue finalmente conmutada debido a su trayectoria y en gran medida por su futura implicación en la mejora del prototipo. El biplano I-5 fue el antecesor del I-15, modelo original del que surge el Polikarpov I-15bis objeto de este trabajo. Por toda su trayectoria donde destacan sus diseños de aviones de combate obtuvo el apodo de “Rey de los cazas”. No se puede finalizar este breve resumen de su trayectoria sin nombrar algunas de sus contribuciones más relevantes en aeronáutica. Entre las que destacan: el procedimiento de cálculo de fuerzas en aeronaves, el procedimiento de cálculo de estabilidad estática longitudinal en una aeronave (1924-1926), investigaciones sobre el comportamiento y las propiedades de aviones en barrena (1925-1929) y la primera producción en la URSS de duraluminio y su aplicación en elementos básicos (1923-1926). Además, desarrolló cañones síncronos y sistemas de armamento que permitían disparar a través de un eje hueco con ametralladoras, el diseño de un avión tipo U-2 para entrenamiento y la estructura monocasco. Destaca su aportación en el empleo del tren de aterrizaje retráctil para aviones de combate monoplanos y biplanos, así como en el desarrollo de aviones con elevado techo de vuelo y la futura incorporación de cabinas presurizadas en aviones (Ivanov 2017). 3.2 Contexto histórico Adentrarse en la historia del Polikarpov I-15bis implica conocer el tiempo y los ritmos en los que se desarrolló la aeronave, para ello nos remontamos a los años 30 en la Unión Soviética. En este periodo los soviéticos se centraron en diseñar aviones veloces y maniobrables, N.N. Polikarpov tras diseñar su biplano I-5 se propuso mejorar sus actuaciones y diseñar un nuevo modelo que cumpliese las nuevas necesidades. La aeronave diseñada fue el I-15 cuyo primer prototipo TsKB-3 se construyó en Octubre de 1933. Los pilotos e ingenieros soviéticos dieron luz verde al diseño por su buena respuesta en las pruebas de vuelo realizadas ese mismo año. Cumplía la maniobrabilidad perseguida pudiendo realizar maniobras de 360 grados en 8 segundos, batiendo el Figura 3-1 N.N. Polikarpov Polikarpov I-15bis 12 Figura 3-12 Prototipo TsKB-3ter • I-152 GK. Los modelos I-15 y I-15bis fueron los primeros aviones de la URSS en los que se incorporó la cabina presurizada. Este modelo fue desarrollado en Podloki (Polonia) de la mano de Alexei Yakovlevich Scherbakoven. El modelo aumentó el peso de la aeronave en torno a los 75kg y realizó sus primeras pruebas de vuelo en 1939. Tuvo relevancia a nivel experimental, debido al bajo techo de vuelo asumible por la aeronave no se consideró razonable su implementación en el I-15bis. Figura 3-13 Modelo I-152 GK 3.3.3 Documentación gráfica Los planos base sobre los que se han centrado las mediciones en este trabajo son dos, como se comentó en el apartado 2.3 “Programas empleados en escalado y acotación”. Dichos planos son los siguientes (MASLOV, M., 2013) (Fig. 3-14 y 3-15): 13 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 3-14 Plano 1. Vistas generales Figura 3-15 Plano 2. Perfil detallado del I-15bis Para enfocar el modelado fueron cruciales los dos manuales originales encontrados de descripción técnica de la aeronave editados por el ministerio de defensa de la URSS en 1938 (MINOBORON, NARKOMATA OBORONT SSSR, 1938). En él se reúnen ilustraciones de la estructura y los componentes más relevantes de la aeronave que fueron de especial utilidad en el diseño. Al ser un documento original escaneado, la principal barrera fue el idioma. Pese a las herramientas de traducción disponibles hoy en día la traducción resultó muy compleja por pertenecer al ámbito específico de la aeronáutica. La historia y características de esta aeronave han sido reflejadas y recopiladas en numerosos libros, revistas y artículos por destacados historiadores, entre ellos destacan las publicaciones de Mikhail Maslov. El autor es un ingeniero aeronáutico que trabaja en N.E. Zhukovsky Memorial House and Museum y ha escrito numerosas publicaciones y libros especializados en la aviación soviética y en concreto sobre los cazas Polikarpovs (MASLOV, M., 2001, 2003, 2004). Polikarpov I-15bis 14 3.3.3.1 AutoCAD Mediante AutoCAD se realiza con la ayuda del tutor el escalado de los planos obteniendo las medidas clave sobre las que se basarán los primeros modelados. El primer plano es especialmente útil al reunir 4 vistas completas del caza que muestran tanto la geometría externa del mismo como algunas zonas internas de la estructura alar. La segunda ilustración muestra en detalle un perfil donde puede apreciarse la estructura interna del fuselaje, las medidas tomadas de la misma así como la distribución de los elementos que muestra será de especial utilidad en el modelado del fuselaje. La siguiente imagen muestra cómo se obtuvieron algunas de las cotas en el primer plano: Figura 3-16 Ejemplo de acotación mediante AutoCAD 3.3.3.2 CATIA V5 CATIA V5 (Computer Aided Three dimensional Interactive Application) es un software empleado especialmente en la industria aeronáutica que con una amplia gama de módulos permite abarcar el desarrollo de un producto desde su diseño hasta su análisis. El modelado se realizará mediante el software pero éste también será empleado para el tratamiento de los planos. Dentro del módulo Shape se encuentra Sketch Tracer, esta herramienta permite el escalado de imágenes y se ha empleado en este trabajo para realizar acotaciones y guías de los elementos que forman la aeronave. Aunque dicha herramienta se puede emplear de forma intensiva para generar figuras 3D a partir de planos, en este trabajo su papel ha sido esencialmente el de proporcionar las geometrías que se emplearán como guías en la generación de superficies mediante el uso de multisecciones con el objetivo de que el modelado ocupe el protagonismo del trabajo. El primer paso para realizar el escalado es introducir la imagen en CATIA mediante la herramienta “Create an Immersive Sketch”. Tras seleccionar la imagen aparecen una ventana y unos ejes mediante los cuales se realizará el escalado. Seleccionando la vista “Front View” se asigna la orientación que tendrá el nuevo sistema de referencia respecto a la foto añadida. Seguidamente Figura 3-17 Operación Create an Immersive Sketch 15 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) se adaptan los ejes y la extensión de las respectivas flechas que incluyen a la medida del elemento con el que escalaremos la imagen. En nuestro caso la medida será la envergadura de 10.2m y su cuerda de 1.5m, siendo el error en la medición de la cuerda de 0.04mm, ver Fig 3-18. Figura 3-18 Escalado mediante Sketch Tracer del plano 1 Una vez escalada la imagen se añade al Product un CATPart donde se realizarán los sketchs sobre el plano. En la siguiente imagen se muestra el árbol de modelado junto al resultado de los sketchs realizados mediante splines para obtener la forma del fuselaje. Figura 3-19 Ejemplo Sketchs realizados Polikarpov I-15bis 16 17 4 MODELADO En este capítulo se desarrolla paso a paso el procedimiento seguido en el modelado del Polikarpov I-15bis. Para abarcar el diseño de la aeronave, cada una de las partes que la conforman ha sido modelada en Catparts diferentes. Cada apartado en los que se divide este capítulo mostrará el proceso de modelado de dichas partes, siendo éstas: las alas, el fuselaje, el estabilizador horizontal, el estabilizador vertical, el tren de aterrizaje y la hélice. Antes de profundizar en el desarrollo de cada una de las secciones, se ofrece a continuación una imagen del resultado final sin renderizar para así conocer la ubicación de las partes en el modelo completo (Fig. 4-1). Figura 4-1 Modelado final 4.1 Alas En este apartado se desarrolla el procedimiento empleado en la construcción de las alas. Durante la Primera Guerra Mundial la mayoría de aeronaves empleadas fueron biplanos, posteriormente se produjo un auge en el diseño y uso de monoplanos ya que ofrecían menor resistencia y conseguían volar a mayor velocidad. Algunos de los biplanos que convivieron con los monoplanos próximos a la Segunda Guerra Mundial fueron: los soviéticos Polikarpov I-15, I-152, I-153, los italianos Fiat CR.30, CR.32, CR.42 y el japonés Kawasaki Ki-10. En concreto, los biplanos soviéticos destacaron por su gran maniobrabilidad. El biplano, como su propio nombre indica, consta de un ala superior y una inferior unidas entre tirantes de sujeción. Ambas alas poseen un diedro positivo de 3 grados y una forma recta a lo largo del 70% de sus envergaduras y semielípticas hasta sus extremos. La envergadura del ala superior es mayor a la del ala inferior, siendo éstas de 10.2 m y 7.5 m respectivamente. Las costillas que las componen se fabricaron con madera de pino, en otros elementos se empleó duraluminio. La unión entre las alas se realiza con posterioridad al modelado de cada una de ellas y será expuesta en último lugar. El procedimiento aplicado en sus modelados es similar y se puede resumir en los siguientes pasos: • Definición de la forma en planta de cada una de las alas a partir de los planos base mediante sketchs partiendo de acotaciones de los planos en AutoCAD y/o Sketch Tracer (Catia). Modelado 18 • Definición y escalado del perfil aerodinámico Clark YH empleado en el Polikarpov I-15bis • Definición de Bodies diferentes que abarcarán las operaciones correspondientes a las costillas, largueros, larguerillos, revestimiento y uniones entre elementos. 4.1.1 Ala superior El ala superior posee una envergadura de 10.2 m de longitud, una cuerda en su sección recta de 1.5 m y un diedro positivo de 3 grados. Como se comentó en la introducción de este capítulo, en el modelado se utilizan diferentes Bodies para diseñar los distintos elementos que conforman el ala. Los Bodies empleados en el modelado del ala superior se estructuran de la siguiente forma: • Body 1: Costillas • Body 2: Largueros y larguerillos • Body 3: “Borde” • Body 4: Revestimiento 4.1.1.1 Body 1. Costillas El perfil empleado en el modelo I-152 en las alas es el Clark YH, perfil que también fue empleado en el modelo posterior I-153. Se define a partir de la importación de sus coordenadas de Excel a CATIA mediante el uso de un Macro incluido en los archivos de CATIA. Las coordenadas del perfil están disponibles en distintas bases de datos en internet, en concreto se utilizaron las disponibles en la web http://airfoiltools.com/. El procedimiento empleado en la importación de coordenadas consta de varios pasos básicos. En la hoja de Excel se indican las coordenadas absolutas de los puntos que conforman el perfil, haciendo el uso del Macro se ejecuta Feuil1. Main y finalmente se indica la opción 2 que representa en el Part, previamente abierto en CATIA, el spline que define al perfil con sus puntos asociados. Figura 4-2. GSD_PointSplineLoftFromExcel Tras ejecutar el macro se genera el spline con las coordenadas que definen de forma adimensional al perfil. Para ajustar el tamaño del mismo se emplea la herramienta Scale en un Sketch en el que se indica la dimensión final de 1500 mm de cuerda, el resultado es el mostrado en la figura 4-3. 19 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-3 Definición del perfil ClarkYH Tras definir la forma del perfil se construye el Sketch que establece la forma en planta del ala mediante Sketch Tracer. Al tratarse de un ala cuyos extremos no son triviales, las costillas no serán idénticas ya que cada una tendrá la cuerda que le corresponda según su posición correspondiente a lo largo de la envergadura. Para dar forma a las costillas se realiza la extrusión de un semiala mediante la operación Multi-Sections Solid, la otra mitad se realizará mediante simetría. Las guías que definirán la multisección se obtienen a partir del Sketch de la forma en planta, definido después del escalado del perfil aerodinámico. En esta operación será necesario un segundo sketch de un perfil que se apoye en las guías definidas y se adapte a ellas. Para la definición del sketch se crea un plano paralelo al primer perfil y se localiza en el extremo del ala. En el sketch se realiza la intersección de las guías con el plano con la operación Intersect 3D Elements para medir la longitud de la cuerda correspondiente al nuevo perfil. Tras conocer los puntos que indican los extremos del segundo perfil, se realiza la proyección del primero mediante Project 3D Elements para luego escalar con Scale dicha proyección a la medida asociada a la intersección anterior. Una vez obtenido el segundo perfil con su cuerda correspondiente, éste se sitúa entre las intersecciones realizadas de las guías y se asegura su coincidencia con ellas mediante el uso de Coincidence. Figura 4-4 Multi-Sections Solid del ala superior Después de solidificar la superficie se procede a la definición de las costillas. Las costillas tienen una geometría interna que se modelará a partir del sólido anterior mediante el uso de Erase Multisection Solid. La geometría de la primera costilla y la penúltima (21) es la misma, por ello cada uno de los vaciados se realizará Modelado 20 a partir de dos sketchs, uno situado en la primera costilla y el otro en la última costilla en cuestión. La costilla número 22 se modelará de forma independiente al tener una estructura distinta. Al carecer de fotografías y planos originales de las costillas, los sketchs de vaciado han tratado de asemejarse lo más posible a la geometría mostrada en la figura 4-5. La ilustración pertenece al manual soviético original encontrado que se mencionó en el capítulo 3 y muestra la geometría correspondiente a una costilla perteneciente al ala inferior. La ilustración posterior, obtenida del mismo manual, ofrece una imagen de la estructura interna del ala superior completa donde puede observarse que la geometría de las costillas de este ala sigue el mismo patrón que las del ala inferior. Tras esta suposición se realizan los sketchs de vaciado. Figura 4-5 Ilustración de la costilla del ala inferior Figura 4-6 Ilustración del ala superior Para realizar cada vaciado es necesario definir un par de sketchs, uno correspondiente a la primera costilla y otro a la penúltima. Tomando como referencia las ilustraciones anteriores, se definen todas las parejas de sketchs necesarias para los vaciados. A continuación se muestran los sketchs construidos en cada extremo asociado y el resultado obtenido tras la operación de vaciado con Erase Multi-Sections Solid. 21 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-7 Sketchs de vaciado de la primera costilla Figura 4-8 Sketchs de vaciado de la última costilla Figura 4-9 Erased Multi-Sections Solid sobre el ala superior Después del vaciado se procede a la división del sólido para dar forma y espesor a las costillas. El espesor de las costillas no es un dato de partida, éste se ha deducido a partir de las fuentes disponibles. El plano que ofrece una vista en planta del avión contiene una sección en la que se aprecian las costillas, sin embargo no tiene la calidad suficiente para fijar una medida a partir de él. Procediendo de forma inversa, teniendo en cuenta que los espesores de las costillas de este tipo de aviones suelen tener un espesor que varía entre 1 cm y 2 cm, podemos establecer un espesor de 18 mm sobre el plano y comprobar después la viabilidad de la estimación. Modelado 28 4.1.1.4 Body 4. Revestimiento En último lugar se modela la superficie del ala, el revestimiento. Al tratarse de una geometría compleja se emplea el módulo Generative Shape Design y la operación Multi- Sections Surface. Para su generación se hace uso de los mismos sketchs utilizados en la definición de las costillas y las mismas guías. Debido a la complejidad del ala se realizan varias multisecciones para poder aplicar el espesor final de 2 mm mediante ThickSurface sin errores. Figura 4-24 Multi-Sections Surface del ala superior Figura 4-25 ThickSurface sobre la superficie del ala superior Tras finalizar el modelado de los componentes más destacados del ala se realiza una comparación entre el resultado definitivo y la imagen inicial de partida procedente del manual de referencia. 29 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-26 Resultado del modelado del ala superior Figura 4-27 Ilustración del ala superior 4.1.2 Ala inferior El ala inferior posee una semienvergadura de 3.17 m de longitud, una cuerda en su sección recta de 1.1 m y un diedro positivo de 3 grados. En el modelado, al igual que en el ala superior, se utilizan diferentes Bodies para diseñar los distintos elementos que conforman el ala. En este apartado se desarrolla el procedimiento seguido en cada Body, siendo éstos: • Body 1: Costillas • Body 2: Largueros y larguerillos • Body 3: “Borde” • Body 4: Superficie 4.1.2.1 Body 1. Costillas El proceso seguido en el modelado de las costillas es similar al del ala superior. El perfil empleado en el ala inferior es de nuevo el Clark YH por ello, se emplearán las mismas coordenadas. La cuerda máxima en la sección recta es de 1100 mm, por tanto las guías también serán diferentes. El sketch que define la forma en planta del ala se genera mediante Sketch Tracer. Modelado 30 Mediante líneas rectas y splines se trata de generar la misma geometría sobre el plano asegurando tangencias en la curva. La siguiente imagen es una captura del sketch generado sobre el plano que será empleado en la multisección. Figura 4-28 Sketch sobre el plano de la forma en planta del ala inferior Figura 4-29 Sketch obtenido de la forma en planta del ala inferior Tras generar las guías se colocan los perfiles que definirán la multisección, los perfiles serán escalados y trasladados a las zonas correspondientes a lo largo de la envergadura mediante el mismo método empleado en el ala superior. 31 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-30 Sketchs de las guías y perfiles aerodinámicos del ala inferior Después de la definición de las guías y los perfiles coincidentes a ellas se realiza la operación Multi-Sections Solid obteniendo como resultado: Figura 4-31 Resultado Multi-Sections Solid del ala inferior Tomando como referencia la ilustración correspondiente a la forma de las costillas del ala inferior, se realizan dos sketchs en las posiciones correspondientes a la primera y antepenúltima costillas. Dicha zona compartirá la geometría indicada y los sketchs serán empleados en el vaciado de las secciones de extremo a extremo del sólido. Figura 4-32 Sketchs de vaciado y guías del ala inferior Modelado 32 Una vez definidas las geometrías dedicadas al vaciado se ejecuta Removed Multi-Section Solid y posteriormente se divide el sólido para definir el espesor y la separación de las costillas. El espesor de las costillas es de 18 mm al igual que en el ala superior, sin embargo la distancia de separación entre las mismas es en esta parte de 210.14 mm. Trasladando con Rectangular Pattern la operación de Pocket asociada a esta distribución de costillas se obtiene la geometría buscada. Las últimas costillas poseen una distancia de separación y geometría diferente por lo que se modelarán de forma independiente (ver fig. 4-34). El resultado tras aplicar el vaciado y la separación de las costillas se muestra en la imagen inferior. Figura 4-33 Vaciado y definición de las costillas del ala inferior Figura 4-34 Detalle de las últimas costillas del ala inferior 4.1.2.2 Body 2. Largueros y larguerillos Los largueros se modelan de nuevo mediante Multi-Sections Solid haciendo uso de la geometría empleada anteriormente para realizar el vaciado del sólido. Cada larguero se define con dos multisecciones y se modela a partir de las secciones rectangulares vaciadas en las costillas. Las siguientes imágenes muestran un ejemplo de uno de los Multi-Sections Solid empleado y el resultado final. 33 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-35 Ejemplo de Multi-Sections Solid empleado en un larguero Figura 4-36 Largueros modelados del ala inferior El ala inferior se conecta a la estructura tubular del fuselaje mediante una unión situada en los extremos de los dos largueros principales ya modelados. La unión se modela como un sólido provisto de una sección circular del mismo diámetro que los tubos del fuselaje, este diseño se realiza con el fin de facilitar el ensamblaje final de la aeronave ya que se carece de planos de dicha unión. Primero se modelará mediante Pad el primer tramo de la unión, después se hará uso de nuevo de la herramienta Multi-Sections Solid y finalmente se realizará el agujero de 20mm de diámetro para facilitar la unión. Figura 4-37 Definición de los extremos de los largueros Modelado 34 Figura 4-38 Detalle Multi-Sections Solid Figura 4-39 Pocket dedicado a la unión del ala inferior con el fuselaje Por último, al igual que en el ala superior, los larguerillos y cordones dispuestos en cruz se realizan mediante la operación Rib siendo sus secciones rectangulares y circulares respectivamente. El sketch correspondiente a la sección de los larguerillos tendrá una sección de 10x7 mm, las curvas centrales de la operación se definen a partir de la proyección de las costillas sobre el plano perpendicular medio a todas las costillas. La sección circular de los cables será de 2 mm de diámetro y las curvas centrales serán líneas definidas entre cada dos y tres costillas situadas a la mitad de la altura de los largueros. Figura 4-40 Definición de cordones y larguerillos del ala inferior 35 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) 4.1.2.3 Body 3. Borde De forma similar al ala superior, el borde de salida y ataque a lo largo del ala se modela a partir del sólido completo practicando un pocket sobre el mismo. Se establece una medida de 25 mm de ancho del borde por las mismas razones que en el ala superior y para definirlo se realiza un Offset de 25 mm de las guías que definen la forma del ala. Los pasos de esta operación se muestran en las siguientes ilustraciones. Figura 4-41 Evolución del modelado del borde en el ala inferior 4.1.2.4 Body 4. Revestimiento El revestimiento del ala se modela en el módulo Shape mediante Multi-Sections Surface empleando los perfiles y guías definidos al comienzo. Modelado 36 Figura 4-42 Multi-Sections Surface del ala inferior Una vez generada la superficie del ala inferior es necesario establecer un espesor para formar el revestimiento. El espesor aplicado al revestimiento del ala es de 2 mm por semejanza con aviones del mismo tipo. Figura 4-43 ThickSurface sobre el ala inferior Finalmente se realiza una comparación entre el resultado final y la imagen de partida del manual de referencia. Pese a la falta de medidas exactas de los elementos el resultado consigue asemejarse al modelo original. Figura 4-44 Resultado del ala inferior 37 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-45 Ilustración del ala inferior 4.1.3 Zona central superior Lo que caracteriza y distingue al Polikarpov I-152 frente al I-15 es en esencia la sección central que une las alas superiores convirtiendo al biplano en un biplano puro. Para la construcción de la zona central se emplean los sketchs guías obtenidos mediante el módulo Sketch Tracer sobre los planos anteriormente utilizados en la definición del ala. Se modelará la mitad de la geometría y posteriormente se aplicará la operación Mirror en el plano central para obtener la geometría completa. El trabajo principalmente se divide en tres Bodies para facilitar el proceso, éstos son: • Body 1: Costillas • Body 2: Largueros y cordones • Body 3: Superficie 4.1.3.1 Body 1. Costillas La zona central tiene una forma en planta peculiar definida por dos curvas suaves que establecen una cuerda máxima de 1450 mm en las costillas de los extremos y una cuerda mínima en la sección central, la variación de cuerda es del 14.5 % aproximadamente. Para definir el sólido se hará uso de nuevo de las operaciones Multi-Sections Solid, Pocket y Rectangular Pattern para definir la forma, espesor y distancia de separación de las costillas. Figura 4-46 Definición del sólido de la zona central Modelado 44 conforman el HTP (Horizontal Tail Plane) como las costillas, largueros y timón de profundidad. En las imágenes inferiores se muestran los sketchs realizados sobre los planos. Figura 4-65 Sketchs del estabilizador horizontal sobre el plano En el modelado del estabilizador se distinguen tres Bodies: • Body 1: Costillas • Body 2: Largueros • Body 3: Revestimiento 4.2.1.1 Body 1. Costillas Al igual que en las superficies sustentadoras (alas), las costillas del estabilizador se modelan a partir de la solidificación de la superficie completa. Al carecer del perfil original se utiliza un perfil simétrico para poder continuar con el modelado. Las guías y perfiles correspondientes a la multisección, así como el sólido obtenido se muestra en las siguientes imágenes: Figura 4-66 Guías y secciones base del estabilizador horizontal 45 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-67 Multi-Sections Solid del estabilizador horizontal El estabilizador consta de un timón de profundidad cuyas costillas no se encuentran alineadas con el resto. Por esta razón, para posicionar las costillas se realiza un recorte del sólido con un Pocket considerando el desvío. Figura 4-68 Definición y distribución de las costillas El Pocket anterior estableció las posiciones de las costillas y fijó su espesor en 18 mm. A continuación, se perfecciona la geometría de las mismas mediante el uso conjunto de Pockets y Rectangular Pattern. Para ello, se realizan Pockets en una de las caras de las costillas empleando como sketchs los Offsets correspondientes al perímetro de cada costilla. Posteriormente se desplazan dichos Pockets mediante Rectangular Pattern para crear un alma en las costillas de 11 mm de ancho. Modelado 46 Figura 4-69 Definición de la sección en I de las costillas En esta captura se ofrece con detalle del Rectangular Pattern empleado para conferir a las costillas de una sección en I. Figura 4-70 Rectangular Pattern para la definición de las secciones Una vez posicionadas y definidas las secciones de las costillas se realizan las zonas que alojarán a los largueros y aligerarán la estructura. Las zonas que albergarán a los largueros se eliminan mediante Removed Multi- Sections Solid y los agujeros mediante la operación Multi-Pocket y Pocket. 47 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-71 Removed Multi-Sections Solid dedicado al larguero 1 Figura 4-72 Agujeros sobre las costillas mediante Pocket Figura 4-73 Agujeros sobre las costillas mediante Multi-Pocket Modelado 48 Figura 4-74 Removed Multi-Sections Solid dedicado a larguero 2 4.2.1.2 Body 2. Borde y largueros El borde que rodea las costillas se realiza igual que en las anteriores superficies, se solidifica el estabilizador y mediante un Pocket se define el borde en cuestión. Su ancho será de 25 mm al igual que en las alas. Figura 4-75 Definición del borde del estabilizador horizontal El estabilizador consta de tres largueros, dos con una sección en I y uno de sección circular. Los dos largueros de sección en I se posicionan en las zonas anteriormente definidas con Erase Multi-sections Solid, el primero aproximadamente a la mitad de la cuerda de las costillas y el segundo cercano al borde de ataque. Cada uno se modelará con un par de multisecciones que se definirán a partir de perfiles en I definidos sobre las costillas. Para evitar que las secciones torsionen al diseñarse, se emplean guías en las zonas más conflictivas y se presta especial atención a la situación de los Closing Points y sus direcciones. 49 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-76 Modelado de largueros Los largueros se encuentran perforados por agujeros que aligeran el peso de la estructura, dichos agujeros se modelarán tomando como referencia la ilustración del manual mostrado en la primera imagen inferior. Los radios considerados son de 18 mm y 20 mm, en base al resto de elementos y tratando de ser consistentes con la ilustración. Figura 4-77 Ilustración del estabilizador horizontal Figura 4-78 Agujeros sobre los largueros Finalmente los dos largueros obtenidos serían los siguientes: Modelado 50 Figura 4-79 Definición completa de los largueros El larguero circular se modela mediante dos operaciones, un Pad que se extiende hasta la penúltima costilla y una multisección desde esa costilla hasta el borde. En primer lugar se perfora en el borde un agujero de 32 mm de diámetro en la posición definida por las guías iniciales y después se realiza el Pad correspondiente hasta la penúltima costilla. La ilustración de referencia y las operaciones correspondientes a este larguero son las siguientes: Figura 4-80 Ilustración del timón de profundidad 51 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-81 Extrusión del larguero Tras generar la geometría principal de la mitad del estabilizador se practica simetría mediante Symmetry. El cuerpo resultante se compara una de las ilustraciones de referencia para valorar el resultado. Figura 4-82 Resultado del Body 1 y 2 Figura 4-83 Ilustración del estabilizador horizontal 4.2.1.3 Body 3. Superficie La superficie del estabilizador horizontal se genera mediante dos Multisections Surfaces. El primero se realiza al igual que en las alas y el Segundo se forma a partir de los mismos perfiles y guías de la primera multisección ampliando el tamaño de los mismos 4 mm en total. El revestimiento se genera definiendo la superficie conjunta que forman las dos multisecciones, cerrando la cara correspondiente mediante Fill y Join, y cerrando dicha superficie mediante Close Surface. Las siguientes figuras muestran la evolución en el borde de ataque del modelado paso a paso. Modelado 52 Figura 4-84 Definición de la superficie del estabilizador horizontal Figura 4-85 Detalle del espesor del revestimiento Mediante la operación Mirror se forma la mitad restante del revestimiento del estabilizador. Figura 4-86 Mirror sobre el revestimiento 53 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-87 Resultado del revestimiento del estabilizador horizontal 4.2.2 Estabilizador vertical El proceso seguido en el modelado del estabilizador vertical es similar al del estabilizador horizontal. Los datos de partida son escasos de nuevo, por tanto las medidas generales de cada elemento se toman de los planos de referencia y la proporción entre ellos se deduce de las ilustraciones del manual. Al igual que con HTP, los primeros sketch guías fueron realizados a partir de acotaciones mediante AutoCAD de forma manual y se modeló parte del VTP (Vertical Tail Surface). A pesar de ello, se decide repetir el modelado para perfeccionar la geometría mediante el empleo de Sketch Tracer comenzando de nuevo sobre una base de guías nuevas más precisa que la inicial. En las siguientes imágenes se muestran las principales mediciones iniciales y en último lugar el sketch obtenido sobre el plano que fue el empleado en el modelado. Figura 4-88 Acotaciones iniciales del estabilizador vertical Figura 4-89 Sketch inicial del estabilizador vertical Modelado 60 Figura 4-105 Definición del borde Además de emplear los planos generales, las siguientes ilustraciones han sido especialmente útiles en el modelado correspondientes a la parte fija del estabilizador vertical y al rudder respectivamente. Figura 4-106 Ilustración estabilizador vertical Figura 4-107 Ilustración del timón de dirección Los largueros son los elementos restantes a modelar en el estabilizador. Son dos, se encuentran en la parte fija del estabilizador y sus secciones son en I. Para modelarlos se emplea la operación Multi-Sections Solid posicionando los skechs que los definen en los planos correspondientes. El larguero inclinado es el que se muestra en primer lugar y está formado por dos multisecciones como puede apreciarse. En último lugar se genera el larguero vertical empleando tres sketchs de secciones en I que decrecen de forma progresiva y cuatro guías para evitar cualquier tipo de torsión en el proceso. 61 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-108 Multi-Sections Solid inicial dedicado a larguero Figura 4-109 Multi-Sections Solid final dedicado a larguero Modelado 62 Figura 4-110 Multi-Sections Solid dedicado al larguero vertical 4.3 Fuselaje El fuselaje del Polikarpov I-152 presenta una estructura similar al modelo I-15, las mayores variaciones se encuentran en el revestimiento que cubre la estructura y el motor. Los materiales empleados fueron acero y duraluminio para la estructura principal y tejidos para recubrimientos. El fuselaje es el nexo de unión de los elementos que conforman a la aeronave, en su zona trasera se acopla la cola y en la delantera, en el morro, se alberga el motor. Tras las alas se posiciona la cabina del piloto que también será modelada. Para su reconstrucción se modelan los siguientes Bodies: • Body 1: Estructura • Body 2: Revestimiento • Body 3: Asiento del piloto 4.3.1 Body 1. Estructura La estructura del fuselaje está compuesta por tubos, la mayoría de ellos soldados entre sí, y se divide en cuadernas, largueros y refuerzos diagonales que le proporcionan rigidez. Para modelar el fuselaje, y en especial este Body, se ha empleado el segundo plano de referencia para realizar las acotaciones. Este plano muestra con claridad el perfil de la estructura interna así como la distribución de los tubos que será clave en el modelado. Sin embargo, serán necesarios otros documentos de apoyo al carecer del resto de vistas de la estructura. Gracias a las ilustraciones del manual, fotografías históricas y un vídeo que reúne algunos de los pasos seguidos en la construcción de una réplica del modelo, es posible plantear el modelado de forma más veraz. 63 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-111 Perfil detallado de la estructura Figura 4-112 Ilustración de la estructura del fuselaje Figura 4-113 Captura de video sobre la construcción de una réplica En primer lugar, se realizan las cuadernas con sus respectivas inclinaciones. Para ello se realizan las acotaciones de los ángulos y distancias entre los planos que las contienen y se realizan sobre ellos los sketchs guías que definirán sus geometrías. La inclinación de los planos respecto al plano vertical oscila entre los 24.42 grados y los 3.72 grados, el resultado es el siguiente: Modelado 64 Figura 4-114 Posicionamiento y definición de planos y sketchs principales Con el fin de simplificar las futuras intersecciones entre los tubos, las secciones no serán coronas concéntricas sino secciones circulares, es decir, se modelarán como barras. En la figura 4-110 se muestran los diámetros internos y externos de la estructura original, las secciones varían desde 20x18mm en la zona cercana a la cola hasta 35x32mm en la zona del motor. Por simplicidad, el diámetro con el que se modelará la estructura será de 20 mm excepto en la zona delantera del motor donde se trabajará con barras de 33 mm de diámetro. Una vez fijada la geometría de las secciones mediante Sketchs de circunferencias perpendiculares y concéntricas a las guías, se emplea la operación Rib en cada una de las cuadernas. Figura 4-115 Rib de la primera cuaderna 65 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-116 Rib de la cuarta cuaderna Figura 4-117 Resultado de las cuadernas El siguiente paso consiste en modelar los largueros inferiores y superiores mediante el uso de Pads. Para ello se realizan sketchs perpendiculares a las guías con la sección circular establecida. Las siguientes ilustraciones muestran un resumen del proceso seguido incluyendo la definición de las guías y un ejemplo del Pad empleado. Figura 4-118 Definición de las guías superior e inferior Modelado 66 Figura 4-119 Detalle de Pad empleado Posteriormente, se modelan los refuerzos diagonales con el mismo tipo de sección y los cordones cruzados en la zona inferior caracterizados por una sección circular de 10mm de diámetro. Figura 4-120 Definición de guías dedicadas a las diagonales Figura 4-121 Detalle de Pad empleado en los refuerzos inferiores 67 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) La elección Up to last en el segundo límite del Pad se indica para que una vez aplicado Mirror a las barras, la geometría se reproduzca íntegramente. Las secciones restantes son las correspondientes a la cola y la zona del motor. De nuevo se emplea la operación Rib para solidificar las cuadernas y Pad para generar los largueros y refuerzos diagonales. Figura 4-122 Detalle de Rib empleado en la zona posterior Figura 4-123 Detalle de Rib empleado en la zona frontal Finalmente, la operación Mirror permitirá reducir el número de operaciones necesarias en el modelado. Seleccionando las barras implicadas e indicando como Mirroring element el plano perpendicular zx se obtiene la siguiente geometría. Modelado 68 Figura 4-124 Mirror sobre la estructura generada Por último, se muestra la imagen que se tomó como referencia para el modelado de la estructura y la estructura conseguida. Figura 4-125 Ilustración del fuselaje Figura 4-126 Resultado de la estructura del fuselaje Inicialmente se acotaron las medidas a partir de los planos escalados con AutoCAD. Los tubos que conforman la estructura principal del fuselaje se modelaron tratando de respetar las distancias acotadas pero se priorizó el ángulo entre ellos, considerando más apropiado trabajar con ángulos y de esta manera poder reducir el posible error. 69 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Una vez modelada la estructura del fuselaje se comenzó a emplear la herramienta Sketch Tracer en el modelado del resto de elementos de la aeronave. En el fuselaje en concreto se empleó para perfeccionar la estructura, pudiéndose corregir algunos pequeños errores correspondientes a las distancias entre planos. La configuración final se muestra se muestra en la siguiente imagen. Figura 4-127 Perfil de la estructura modelada sobre el plano escalado 4.3.2 Body 2. Revestimiento En el modelado del revestimiento para generar la geometría se han empleado dos módulos principalmente. Mediante el módulo Generative Shape Design se genera la geometría de la superficie y posteriormente se le asigna espesor con el módulo Part Design. El revestimiento de la aeronave se ha formado mediante multisecciones y para ello se han empleado los cortes del fuselaje que facilitan los planos. Las secciones necesarias en la operación Multi-Sections Surface se han definido mediante el módulo Sketch Tracer sobre los planos y trasladado en un Geometrical Set al Part dedicado al fuselaje. Las guías necesarias en la operación son cuatro y se encuentran distribuidas aproximadamente 90 grados entre sí, sus geometrías se obtendrán de nuevo sobre los planos. La geometría fundamental empleada en el modelado del revestimiento se incluye en las imágenes inferiores. Figura 4-128 Sketchs de los cortes del fuselaje empleados Modelado 76 Figura 4-143 Sketch del perímetro del cristal de la cabina Figura 4-144 Proyección sobre el fuselaje del perímetro del cristal Figura 4-145 Multi-Sections Surface del cristal de la cabina 77 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-146 Geometría final del cristal de la cabina 4.3.3 Body 3. Asiento del piloto La zona dedicada al piloto, la cabina, se muestra entre los planos definidos por los cortes Γ y Д. Para diseñar el asiento se trabaja sobre el sketch de la sección Д de forma que la posición del respaldo se encuentre centrada. El segundo plano de referencia ofrece un corte del fuselaje que muestra una vista frontal del asiento del piloto, este corte y la vista correspondiente al perfil del asiento permitirán definir la geometría del mismo. Figura 4-147 Perfil del asiento del piloto Figura 4-148 Vista frontal del asiento del piloto El respaldo del piloto se encuentra inclinado. Midiendo sobre el plano y realizando estimaciones se concreta que la inclinación es de 10 grados, el espesor total del respaldo será de 1.7 cm y el de la base del asiento de 1 cm. La base principal del asiento definida mediante Pads se muestra en las siguientes imágenes. Modelado 78 Figura 4-149 Pad del respaldo del piloto Figura 4-150 Modelado del asiento La base completa del asiento se modela mediante Multi-Sections Solid tratando de asemejarla al perfil de la figura 4-145. 79 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Figura 4-151 Multi-Sections Solid sobre la base del asiento Los soportes del asiento se modelan sobre la estructura del fuselaje. Se realiza el diseño completo de un soporte y después se aplica simetría para generar el otro. Los planos no muestran la geometría de este elemento con suficiente calidad, por esta razón el modelado se apoyará en las proporciones mostradas en la vista disponible y en una ilustración encontrada en el manual soviético. La ilustración, aunque tampoco puede utilizarse para obtener medidas a partir de ella, nos ofrece una perspectiva muy rica de la cabina. Figura 4-152 Ilustración de la cabina Modelado 80 Figura 4-153 Configuración de la cabina El panel de control se ensambla al fuselaje en último lugar, en él se encontraban la brújula, el altímetro, los indicadores de velocidad, los indicadores de presión del aceite etc. Su diseño se adapta al espacio disponible en el fuselaje y trata de asemejarse a las ilustraciones y fotografías encontradas del mismo. Figura 4-154 Ilustración del panel de control Figura 4-155 Modelado del panel de control 81 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) 4.4 Tren de aterrizaje El biplano I-152, dependiendo de la zona de combate donde operara, empleaba un tren fijo o con skis instalados para la nieve. En este trabajo se modelará el tren fijo que se empleó en España. Las dimensiones del neumático y del carenado del tren se obtienen de los planos. El neumático se modela con Shaft definiendo los ejes de giro correspondientes. El carenado se obtiene mediante Sweep asegurando el espacio que necesita el neumático para girar. Para modelar la superficie de unión del tren de aterrizaje es necesario posicionarlo correctamente respecto al fuselaje en el módulo Assembly Design de forma que podamos adaptar la multisección al carenado del motor Figura 4-156 Guías del carenado del tren Figura 4-157 Sweep aplicado al carenado del tren Figura 4-158 Unión del tren al revestimiento del fuselaje Sobre la estructura tubular del fuselaje se modelan las dos barras que fijan el tren de aterrizaje con su ángulo de separación correspondiente. La ilustración del manual que ofrece la geometría se expone a continuación, así como el resultado final y un detalle de la unión al fuselaje modelada (Fig 4-159). Modelado 82 Figura 4-159 Comparación de la geometría obtenida con las ilustraciones de partida 4.5 Hélice La hélice del Polikarpov I-152 es bipala y muestra torsión. Los planos base ofrecen una vista completa de las palas en la que se aprecian distintos los perfiles desde la raíz hasta la punta (ver fig. 4-160). Dichos perfiles serán empleados para generar la multisección que definirá al sólido. Figura 4-160 Detalle de la hélice 83 Modelado y recreación virtual con Catia v.5 del avión Polikarpov I-152 (i-15bis) Una de las palas se realizará mediante una multisección apoyada en los cortes mostrados en la figura 4-160, la otra se obtendrá mediante simetría. Figura 4-161 Modelado de la primera pala Figura 4-162 Obtención de la segunda pala mediante simetría El buje de la hélice tratará de asemejarse a la vista facilitada en los planos y a fotografías recopiladas. Figura 4-163 Detalle del buje en una fotografía Figura 4-164 Buje modelado 85 5 RESULTADO FINAL En este capítulo se ensamblan mediante el módulo Assembly Design todas las piezas modeladas así como los elementos de unión necesarios entre ellas. Una vez generado el producto final se aplican los materiales empleados y stickers mediante el módulo Photo Studio para tratar de conseguir un modelo más realista con el renderizado. Los materiales más empleados son el acero y el duraluminio (aleación), mediante la herramienta Apply Material se aplican en las secciones correspondientes. Mediante el módulo Drafting se han generado cuatro vistas del modelo final dispuestas según el plano original (ver fig. 3-14) con algunas de las medidas principales, el resultado el siguiente: Figura 5-1 Planos del modelo Polikarpov I-152 Para comparar fácilmente el resultado se superpone el producto final sobre el plano escalado mediante Sketch Tracer posicionando el modelo según las distintas vistas que ofrece el plano (Fig. 5-2, 5-3, 5-4). Figura 5-2 Perfil del modelo sobre el plano 93 REFERENCIAS AZAOLA, C., 2019. Cronología de la aviación militar española. En: Revista de Aeronáutica y Astronáutica. 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