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Anlisis de impacto de un robot de combate por el mtodo de elemento finitos
Impact analysis of a combat robot by the finite element method
Anlise de impacto de um rob de combate pelo mtodo dos elementos finitos
Correspondencia: lchoto@espoch.edu.ec
Ciencias Tcnicas y Aplicadas
Artculo de Investigacin
* Recibido: 23 de mayo de 2022 *Aceptado: 12 de junio de 2022 * Publicado: 18 de julio de 2022
I. Magster en Manufactura y Diseo Asistidos por Computador, Ingeniero Automotriz, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Facultad de Mecnica, Riobamba, Ecuador.
II. Magster en Diseo, Produccin y automatizacin industrial, Ingeniero Mecnico, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Facultad de Mecnica, Carrera de Ingeniera Mecnica, Grupo de Investigacin GIEBI, Chimborazo, Ecuador.
III. Magster en Diseo, Produccin y Automatizacin Industrial, Ingeniero Mecnico, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Facultad de Mecnica, Carrera de Ingeniera Automotriz, Grupo de Investigacin GIEBI, Chimborazo, Ecuador.
IV. Magster en Matemtica Bsica, Ingeniero Mecnico, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Facultad de Ciencias Pecuarias, Macas, Ecuador.
Resumen
El presente artculo trata sobre la aplicacin del Mtodo de Elementos Finitos (FEM) dentro del estudio de los efectos dinmicos desarrollados por el impacto sobre un robot de combate. El proyecto est dividido en dos partes: el diseo mecnico realizado en SolidWorks y el anlisis de impacto frontal y lateral realizado en ANSYS.
En el diseo mecnico aqu es en donde se calcula las piezas a utilizar, tal como el espesor y el material de la placa. El fuerte de estos diseos se basa en la mecnica de los mismos, se demuestra que, con una buena estructura, rodamientos y sujetadores se puede tener una buena mquina de competencia.
Luego de esta etapa se procedi con la fase experimental haciendo diferentes anlisis de impacto, frontal y lateral, dando en la mayor parte de los casos buenos resultados.
Palabras Clave: FEM; Ansys; SolidWorks; Elementos finitos; Anlisis de impacto; Robot de combate.
Abstract
This article deals with the application of the Finite Element Method (FEM) within the study of the dynamic effects developed by the impact on a combat robot. The project is divided into two parts: the mechanical design carried out in SolidWorks and the frontal and lateral impact analysis carried out in ANSYS.
In mechanical design this is where the parts to be used are calculated, such as the thickness and material of the plate. The strength of these designs is based on their mechanics, it is shown that, with a good structure, bearings and fasteners, you can have a good competition machine.
After this stage, the experimental phase was carried out, making different impact analyses, frontal and lateral, giving good results in most cases.
Keywords: FEM; Ansys; SolidWorks; Finite elements; impact analysis; combat robot.
Resumo
Este artigo trata da aplicao do Mtodo dos Elementos Finitos (MEF) no estudo dos efeitos dinmicos desenvolvidos pelo impacto em um rob de combate. O projeto est dividido em duas partes: o projeto mecnico realizado em SolidWorks e a anlise de impacto frontal e lateral realizada em ANSYS.
No projeto mecnico onde so calculadas as peas a serem utilizadas, como a espessura e o material da chapa. A fora desses projetos baseada em sua mecnica, mostra-se que, com uma boa estrutura, rolamentos e fixadores, pode-se ter uma boa mquina de competio.
Aps esta etapa, foi realizada a fase experimental, fazendo diferentes anlises de impacto, frontal e lateral, dando bons resultados na maioria dos casos.
Palavras-chave: FEM; Ansys; SolidWorks; Elementos finitos; anlise de impacto; rob de combate.
Introduccin
La Batalla de Robots es una competencia que involucra robots controlados por radio y/o autnomos, que tienen por objetivo destruir o inmovilizar, al contrario. Los creadores de estos atletas mecnicos compiten uno contra otro utilizando una combinacin de inteligencia, poder y habilidad. Para esto se usan armas de combate como sierras, martillos, cuchillas, mecanismos depresin, etc. [1]
Los robots de batalla tienen como objetivo primordial vencer a cada uno de los contrincantes que se le presente en el ring de lucha demostrando las capacidades del creador y piloto del mismo [1]
Robtica
La robtica es una ciencia o rama de la tecnologa, que estudia el diseo y construccin de mquinas capaces de desempear tareas realizadas por el ser humano o que requieren del uso de inteligencia. Las ciencias y tecnologas de las que deriva podran ser: el lgebra, los autmatas programables, las mquinas de estados, la mecnica o la informtica. [2]
Robot
Un robot, es un agente artificial mecnico o virtual. Es una mquina usada para realizar un trabajo automticamente y que es controlada por una computadora.
Si bien la palabra robot puede utilizarse para agentes fsicos y agentes virtuales de software, estos ltimos son llamados "bots" para diferenciarlos de los otros [3]
Materiales y mtodos
Diseo y construccin del robot
Antes de empezar la elaboracin del Robot de Batalla, se realiz un anlisis a fondo de las participaciones en los concursos anteriores de Robtica, con el fin de conocer los problemas ms comunes presentados en los prototipos.
As de esta forma poder obtener un diseo que nos ofrezca flexibilidad, maniobrabilidad y confianza en su competencia mediante el uso de materiales afines a las necesidades y exigencias de los reglamentos que se constituyen en los concursos.
Manteniendo los conceptos presentes un robot fue diseado con un sistema de transmisin mecnica directa para la transferencia eficaz de la potencia de los motores a las ruedas, y esto transferido a la estructura para facilitar la utilizacin de estrategias como envestida, volcamiento e inmovilizacin, el robot fue dotado con un arma rotatoria que al momento de realizar la envestida, es utilizada para destruir por debajo al robot contrario.
Figura 1. Diseo del Bot realizado en SolidWorks
Fuente: Autores
Diseo mecnico
Chasis
El peso y el material del chasis fueron dados por el software SolidWorks. La constante del material a utilizar es el acero estructural, el espesor de la placa es de 5mm para dar rigidez y resistencia al momento de los impactos.
Figura 2. Chasis del Bot diseado.
Fuente: Autores
TAMBOR (ARMA DE ATAQUE)
Se pueden utilizar arpones. En caso de utilzalos, estos debern contar con un sistema de retraccin que detendr al arpn, dicho sistema no permitir el arpn rebase a los 2 metros.
El sistema de encendido deber contar con un control remoto que permita apagar y desactivar dicha arma.
En nuestro caso se trata de un eje rotatorio con cuchillas extruidas en los extremos, capas de girar hasta 3500 rpm, con una longitud de 180 mm y sujetada por rodamientos.
Figura 3. Tambor (arma especial del Bot).
Fuente: Autores
RODAMIENTO RGIDO DE BOLAS
Son utilizados en varias aplicaciones mecnicas. Son capaces de operar en altas velocidades, requieren de poca atencin y no son separables. Estos rodamientos en los diseos son utilizados como ruedas locas conjunto con un eje de transmisin que hace de base. [12]
Figura 4. Rodamiento utilizado para el montaje del tambor.
Fuente: Autores
Figura 5. Medidas del rodamiento.
Fuente: Catalogo NTN - rodamientos de bolas y rodillos
LLANTAS
Es una pieza normalmente metlica, que se asienta en un neumtico, forma parte de la rueda.
Figura 5. Neumtico utilizado en Bot
Fuente: Autores
Motor DC
Los motores de corriente continua y de corriente alterna se basan en un principio de funcionamiento el cual establece que si la corriente elctrica circula por un conductor este genera un campo magntico, este tiende a desplazarse perpendicularmente a las lneas que crea el campo magntico.
Cuando en un conductor pasa energa elctrica es sometido a un campo magntico, el conductor es expuesto a una fuerza perpendicular al plano formado por el campo magntico y la corriente, siguiendo la regla de la mano derecha, [5]
Figura 6. Motor de arranque utilizado en Castigador.
Fuente: http://www.cbmotocenter.com.ar/repuestos2.php
CARACTERISTICAS
Un artefacto de corriente continua se divide en dos partes, el rotor y el estator. El estator brinda soporte mecnico al motor, tiene un hueco en la parte central generalmente de forma cilndrica. En el estator se encuentran los polos que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre un ncleo de hierro. El rotor es de forma cilndrica, tambin formado por devanado y con ncleo, al que llega corriente elctrica mediante dos escobillas. [5]
VENTAJAS
Las ventajas de usar motores de corriente continua son:
Su tamao y dimensiones son reducidas.
La contaminacin ambiental es en menor escala en comparacin a los motores de combustin.
Su rendimiento llega a un 75% de trabajo.
Se pueden construir de diferentes tamaos a menor costo.
Son de trabajo constante.
Pre proceso en ANSYS
SELECCIN DE MATERIALES
El apartado describe cada una de las selecciones de los materiales adecuados que se utilizan para el respectivo desarrollo de la simulacin, para que con ello se logre obtener las distintitas reacciones que surgen en las geometras con sus materiales. La seleccin se describe a continuacin:
Figura 7. Flujograma de seleccin de materiales
Fuente: Autores
La asignacin de materiales busca que en el anlisis se pueda identificar los fenmenos relacionados con las distintas propiedades especficas que contiene el material, dentro del cual este fue seleccionado dentro de los paquetes de materiales, los que tienen las propiedades completas para continuar con el anlisis.
La figura 7, permite visualizar los pasos que se deben realizar para la seleccin especifica de materiales que se trabajaran en la simulacin. Seleccin del material denominado como acero estructural no lineal el mismo que es aplicado en la estructura, mientras que el acero estructural es asignado a los cuerpos con los que se va impactar el robot. [7]
Figura 8. Engineering Data para choque frontal
Fuente: Autores
PREPROCESO EN LS-DYNA
El anlisis en LS-DYNA necesita la asignacin de los respectivos materiales, los mismo que son primordiales, para obtener las reacciones y comportamientos de cada uno en sus geometras correspondientes. Lo que se consigue con:
Figura 9. Flujograma para ingresar datos del material y espesor de la geometra
Fuente: Autores
La figura 9, indica los pasos que se deben proseguir para conseguir la asignacin de los materiales y su correspondiente espesor, la asignacin de cada uno de estos datos se los realiza de uno en uno las superficies surgidas en el rbol de diseo, en el caso de la superficie rectangular se ingresa el material y el espesor. [8]
CONTACTOS
La generacin de contactos viene por defecto, debido a que las superficies provienen de un diseo previo, el que ya contiene ciertas restricciones, las que aparecen en el grupo de contactos.
Los contactos empleados en el anlisis es el de tipo Bounded el mismo que posee la similitud de la unin de un elemento soldado; adems de la interaccin entre cuerpos.
La mayora de diseos exportados contienen ciertas restricciones pertenecientes a las uniones nicas de cada ensamble, dentro del cual tambin se importa al paquete LS-DYNA y se los encuentra en la pestaa de Conecctions, especficamente dentro de la subcarpeta de Contacts.
Figura 10. Contacto tipo Bounded entre la placa base y el soporte del motor de accionamiento
Fuente: Autores
La figura 10, nos indica el contacto que mantienen dos elementos que componen el chasis, estos contactos se incrementaran mientras ms elementos contenga el diseo, en este caso se debe tener en cuenta que entre los elementos de la estructura se mantendr contactos de tipo Bounded el mismo que hace que se replique la accin de una soldadura.
MALLA
La generacin de las mallas es una parte primordial para el anlisis, debido a que la misma debe ser lo ms fina posible, ya que si la misma es fina la visualizacin de su deformacin se evidenciara de forma ms real, es decir se verificara la distorsin de cada una de sus partculas.
En la etapa de mallado se busca obtener estadsticas considerables, esto es recomendable para que la misma contenga como resultados datos de mayor confiabilidad, la misma que se suele analizar por el mtodo Element Quality.
Figura 11. Mallado del Bot tipo solido-Shell
Fuente: Autores
En la figura. Se puede visualizar el display style por element Quality, arrojando una malla muy eficiente, y dndonos as seguridad para cualquier tipo de calculo que se vaya a realizar.
Para obtener esta malla debemos partir con un modelo de diseo combinado solido-shell, de esta manera obtendremos una malla cuadriltera en la mayora del cuerpo, despus de ello con ayuda de algunos controladores refinaremos an ms la malla.
Figura 12. Controladores globales y locales para el refinamiento la malla
Fuente: Autores
CONDICIONES DE BORDE
Las condiciones de borde son las variables de las que depender el comportamiento del material, es decir de ellas son las encargadas de producir la deformacin en lugares determinados con respecto a su lugar de aplicacin. Lo que se consigue con:
Figura 13. Pasos para ingresar la velocidad
Fuente: Autores
La condicin primordial en este tipo de anlisis es con las variables de velocidad, y fijacin de ciertos elementos constituyentes dentro del anlisis de choque.
Figura 14. Condiciones de borde para impacto frontal
Fuente: Autores
La figura 14. Indica las condiciones de borde que se aplica en el anlisis de choque frontal. La aplicacin de los parmetros de velocidad en donde se aplica una velocidad equivalente a 20 km/h, esta se encuentra ubicada en direccin perpendicular al plano de la pared, la misma se la aplica en toda la estructura. La fijacin de la superficie que simulara como una pared, esta se obtiene mediante la herramienta denominada Fixed support, la misma que no permite movimiento alguno en las distintas orientaciones.
De la misma manera se aplica las condiciones para el anlisis de choque lateral, en donde solo cambia la orientacin de la velocidad, es decir en el eje x, la magnitud de esta ser la misma que se evala en el choque frontal. En este caso el robot lo haremos impactar contra un poste de acero estructural.
Figura 15. Condiciones de borde para impacto lateral
Fuente: Autores
En el caso del anlisis de choque superior se coloca una esfera la cual actuara similar al impacto de un martillo, en este caso la velocidad ser insertada a la esfera en la orientacin negativa del eje y con una magnitud equivalente a 30 Km/h y el robot quedara esttico utilizando Fixed support.
Figura 16. Condiciones de borde para impacto superior
Fuente: Autores
Resultados y discusin
Postproceso ls-dyna
En este apartado se analizar el choque frontal en el que interviene la estructura del chasis y la superficie que representara una pared. La simulacin contendr una velocidad, un objeto fijo. La cual se obtendr como resultados la deformacin direccional, total, esfuerzos y velocidad en un elemento.
La aplicacin de las variables que son velocidad y empotramiento de la superficie, en donde se busca determinar los resultados ante la aplicacin de las variables mencionadas, el valor computacional tiene una gran importancia, debido a que de ellos dependen la capacidad de resolver este tipo de anlisis, para el caso de este anlisis se tom como referencia un tiempo de 1 hora en que tomaba el resolver el anlisis de la estructura, mientras que este lapso de tiempo puede variar, dependiendo a las capacidades computacionales que el usuario posea.
Impacto frontal
Deformacin total choque frontal
Figura 17. Deformacin total impacto frontal
Fuente: Autores
En la figura 17, indica la deformacin total de los elementos, como se observa en el grafico se evidencia que la deformacin se realiza tanto el robot y la pared, se puede visualizar que la deformacin mxima es de 2.7778 mm en un tiempo de anlisis de 0.0005 s.
Figura 18. Datos tabulados de la deformacin total con respecto al tiempo.
Fuente: Autores
Figura 19. Grafica deformacin vs tiempo
Fuente: Autores
ESFUERZOS CHOQUE FRONTAL
Figura 20. Esfuerzo equivalente (Von Mises) para impacto frontal.
Fuente: Autores
En la figura 20. se logra la visualizacin de la distribucin de los esfuerzos al producirse el choque del bot con un objeto fijo como es el caso de la pared, donde la pared posee un esfuerzo uniforme, mientras que en la parte del tambor e inferior de la estructura se evidencia la presencia de esfuerzos variables. Debido a que el mayor esfuerzo es de 1133 MPa lo cual significa que ha sobrepasado el lmite de fluencia el mismo que es de 210 MPa que corresponde al acero inoxidable, lo que evidencia la fractura del tambor, con una deformacin permanente. [12]
Figura 21. Datos tabulados del esfuerzo equivalente con respecto al tiempo.
Fuente: Autores
Figura 22. Grafica esfuerzo equivalente vs tiempo
Fuente: Autores
IMPACTO LATERAL
La aplicacin de las variables como la velocidad y la fijacin de una superficie, en donde se busca determinar los resultados ante la aplicacin de las variables mencionadas, el valor computacional tiene una gran importancia, debido a que de ellos dependen la capacidad de resolver este tipo de anlisis, para el caso de este anlisis se tom como referencia un tiempo de 1 hora en que tomaba el resolver el anlisis de la estructura, mientras que este lapso de tiempo puede variar, dependiendo a las capacidades computacionales que el usuario posea.
DEFORMACIN DIRECCIONAL CHOQUE LATERAL
Figura 23. Deformacin direccional Impacto lateral
Fuente: Autores
La figura 23, presenta la deformacin direccional en el eje x, debido a que en ese eje se aplica la velocidad, dentro del cual se logra visualizar la deformacin por medio de grficos basados en niveles de colorimetra, evidenciando que en la superficie del poste se halla una deformacin mnima, es decir la misma posee una deformacin nula, mientras que en el resto de la estructura del robot sucede lo contrario, debido a la aplicacin de la variable velocidad. Evidenciando que la deformacin mxima hallada es de 12 mm, evaluando con una velocidad de 80 Km/h en un tiempo de 0.0003 s. [13]
Figura 24. Datos tabulados de la deformacin direccional con respecto al tiempo.
Fuente: Autores
Figura 25. Grafica deformacin direccional en el eje X vs tiempo
Fuente: Autores
ESFUERZO CHOQUE LATERAL
Figura 26. Esfuerzo equivalente (Von Mises) para impacto lateral.
Fuente: Autores
En la figura 25, se logra la visualizacin de la distribucin de los esfuerzos al producirse el choque del robot con un objeto fijo como es el caso del poste, donde el poste posee un esfuerzo nulo, mientras que en la parte inferior de la estructura se evidencia la presencia de esfuerzos variables. El esfuerzo mximo evidenciado es de 2611.8 MPa, en donde el lmite de fluencia es de 250 MPa, evidenciando que la estructura tendr una deformacin plstica, es decir la misma que no vuelve a recuperar la forma original, produciendo una deformacin con significancia.
Figura 27. Datos tabulados del esfuerzo equivalente con respecto al tiempo para impacto lateral.
Fuente: Autores
Figura 28. Grafica esfuerzo equivalente vs tiempo para impacto lateral
Fuente: Autores
Impacto superior
DEFORMACIN TOTAL IMPACTO SUPERIOR
Figura 29. Deformacin total impacto superior
Fuente: Autores
En la figura 29, indica la deformacin total de la tapa superior del robot, como se observa en el grafico se evidencia que la deformacin se da en la parte superior de la carcasa, se puede visualizar que la deformacin mxima es de 5.0088 mm en un tiempo de anlisis de 0.0005 s y con una velocidad dada a la esfera de 30 Km/h en direccin Y negativa.
Figura 30. Datos tabulados de la deformacin total con respecto al tiempo para impacto superior.
Fuente: Autores
Figura 31. Grafica deformacin vs tiempo para impacto superior
Fuente: Autores
ESFUERZO EQUIVALENTE IMPACTO SUPERIOR
Figura 32. Esfuerzo equivalente (Von Mises) para impacto superior.
Fuente: Autores
En la figura 26. se logra la visualizacin de la distribucin de los esfuerzos al producirse el choque de un objeto (esfera) la cual representa el golpe de un martillo o cualquier otra arma que el oponente utilice para hacer dao en la zona superior de la carcasa del bot, que en este caso nuestro robot estar fijo, donde la esfera posee un esfuerzo nulo, mientras que en la parte tapa superior de la estructura se evidencia la presencia de esfuerzos variables. Debido a que el mayor esfuerzo es de 523.56 MPa lo cual significa que ha sobrepasado el lmite de fluencia el mismo que es de 250 MPa que corresponde al acero estructural no lineal, lo que evidencia la fractura de la parte superior de la carcasa del robot, con una deformacin permanente. [12]
Figura 33. Datos tabulados del esfuerzo equivalente con respecto al tiempo para impacto superior.
Fuente: Autores
Figura 34. Grafica esfuerzo equivalente vs tiempo
Fuente: Autores
Conclusiones
1. El diseo en SolidWorks para el modelo real del robot se realiz en solido 3D, pero para evaluar en Ansys se realiz un modelo combinado tipo solido- Shell, creando superficies desde el croquis donde se requiera un espesor constante.
2. Para la seleccin de materiales, se plasm que toda la estructura del robot sea de acero estructural, pero para el tambor (arma del bot) se coloc acero inoxidable. En ansys para realizar el anlisis de impacto se debe dar a la zona afectada un material no lineal ya que esta va estar en contacto con el slido rgido.
3. En el impacto lateral es similar al posterior y tambin podemos decir que las reacciones son respectivamente bajas a pesar de utilizar la misma configuracin y misma fuerza.
Analizando las tres etapas de impacto se concluye que la zona ms afectada es la superior con esta es afectada por una esfera (similar al golpe de un martillo o arma del robot rival).
Referencias
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2. UNSAAC. (2007). Robtica. Recuperado el 13 de febrero de 2012, de http://robotica.wordpress.com/about/
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13. Aguirre, Jose, (2004), Sistemas Mecnicos, Editorial Horacio Escarbajal, Murcia- Espaa.
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15. J.J. Kavanagh, R.S. Barrett, S. Morrison Upper body accelerations during walking in healthy young and elderly men Gait Pos vol. 20, pp. 291-298. 2004
16. J. Riess, J. J. Abbas, Adaptive control of cyclic movements as muscles fatigue using functional neuromuscular stimulation. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng vol. 9, pp.326330, 2001.
2022 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)
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