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Título : Desarrollo de modelos didácticos y documentación técnica de síntesis y análisis de mecanismos para el apoyo a las materias del área de Diseño Mecánico
Autor : DE MATIAS AGUILAR, FRANCISCO
Fecha de publicación : 2020
Resumen : En el presente proyecto se propone generar materiales didácticos para el apoyo de las materias del área de conocimiento de Diseño Mecánico de la carrera de Ingeniería Mecánica de la FES Aragón. Dicho material estará basada en un caso de estudio enfocado en desarrollar diferentes alternativas del diseño de una máquina que resuelva un cierto problema de movimiento, generando a su vez múltiples casos de estudio que apoyen las materias de Diseño de elementos de máquinas, Introducción al estudio de los mecanismos, Análisis dinámico de maquinaria y Diseño mecánico. Los resultados obtenidos en este proyecto serán utilizados para ilustrar y mejorar la enseñanza de temas como síntesis de mecanismos con pares inferiores mono y multilazo, así como de pares superiores como las levas con los múltiples reportes de memorias de cálculos y diagramas ilustrativos. También permitirá contar con programas desarrollados en wolfram mathematica (Software gratuito para la comunidad UNAM) que le permitirán al estudiante optimizar la comprensión de los temas de análisis cinemático y dinámico al revisar rápidamente la influencia de cada parámetro en el comportamiento del mecanismo, además con todo este material se elaborarán estudios de elemento finito para determinar la distribución de esfuerzos en las piezas mecánicas y que en conjunto con la infraestructura del programa institucional de PC Puma y las pantallas que están instaladas en cada salón, permitirán mostrar al alumno diferentes evaluaciones del mismo problema en cuestión de minutos o incluso segundos. La elaboración de modelos físicos es la culminación tangible que se utilizará de aliento para demostrar sin lugar a dudas la veracidad de los resultados numéricos, además de que al considerar modelos en impresión 3D se facilita la replicabilidad de estos modelos para que la mayoría, o inclusive cada estudiante pueda tener un modelo físico en sus manos en cada una de las asignaturas ya mencionadas.
URI : https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/7527
metadata.dc.contributor.responsible: DE MATIAS AGUILAR, FRANCISCO
metadata.dcterms.callforproject: 2020
metadata.dc.coverage.temporal: 2020-2022
metadata.dcterms.educationLevel: nivel superior
metadata.dcterms.educationLevel.SEP: Licenciatura
metadata.dc.description.objective: Objetivo general: Generar modelos físicos, computacionales y de CAD, con documentación de análisis de esfuerzos por elemento finito, diagramas y memorias de cálculos en programas escritos en Wolfram Mathematica que se presentarán como casos de diseño y análisis que apoyen al contenido temático y mejoramiento del proceso enseñanza-aprendizaje de las materias del área de conocimiento de Diseño Mecánico de la Carrera de Ingeniería Mecánica de la FES Aragón. Objetivos específicos: "1.- Generación de diagramas en software de dibujo vectorizado, para síntesis dimensional y análisis tanto cinemático como dinámico de mecanismos de pares superiores e inferiores. 2.-Manual introductorio a los comandos de Wolfram Mathematica. 3.- Reporte escrito y programas en wolfram mathematica para la síntesis dimensional de diferentes mecanismos (mono, multilazo y levas) que resuelvan un mismo problema de diseño. 4.- Reporte escrito y programas en wolfram mathematica para el análisis de posición, velocidad y aceleración de los mecanismos sintetizados. 5.- Reporte escrito y programas en wolfram mathematica para el análisis dinámico de los mecanismos sintetizados. 6.- Reporte de análisis de esfuerzos por elemento finito. 7.- Modelos físicos en impresión 3D para la interacción del alumno. 8.- Reporte crítico de los pros y contras de cada uno de los mecanismos diseñados con base a los datos calculados analíticamente."
metadata.dc.description.strategies: La metodología del proyecto se llevará a cabo en dos etapas de un año de duración cada una. La descripción de cada etapa es como sigue: 1.- Primera etapa El primer paso indispensable que debe realizarse es la selección de un problema de diseño a resolver el cual implique algún caso de síntesis dimensional para algún problema de "generación de trayectoria", "conducción de cuerpo" o "generador de función". Esta propuesta será escogida cuidadosamente de tal manera que sea factible de resolver con diferentes configuraciones de mecanismos. Una vez planteado el problema de diseño se procederá a realizar al menos 5 propuestas a nivel de "idea" (bosquejos) que puedan satisfacer las condiciones de movimiento de la máquina. Simultáneamente a estas actividades se desarrollará un manual introductorio al uso de los comandos básicos de Wolfram Mathematica y su interfaz de usuario. Posteriormente se realizará la síntesis de tres mecanismos, el primero de 4 barras biela-manivela-balancín, el segundo de biela-manivela-corredera y el tercero un mecanismo de 6 barras de Stephenson o de Watt. La síntesis se resolverá utilizando las ecuaciones de longitud constante y números complejos que se programaran y resolverán en Wolfram Mathematica. Las ecuaciones y datos obtenidos de la solución de ecuaciones de síntesis se reportarán en un informe de síntesis de mecanismos el cual incluirá dibujos realizados en un software de dibujo vectorizado como Inkscape. Los datos dimensionales de los mecanismos sintetizados se utilizarán para realizar dibujos tridimensionales en Autodesk Inventor los cuáles servirán para mejorar la presentación de los reportes escritos y también serán utilizados para la impresión 3D de los modelos en la segunda etapa. El análisis cinemático se llevará acabo utilizando las ecuaciones de lazo y números complejos, abarcando el análisis de posición, velocidad y aceleración. Ecuaciones que serán resueltas para todo el ciclo de trabajo del mecanismo y que nuevamente será resuelto utilizando Wolfram Mathematica, lo que facilitará la solución de las ecuaciones no lineales del análisis de posición que será resuelto implementado métodos numéricos de Newton-Raphson para sistemas de ecuaciones no lineales y estructuras de control para resolver una rutina de programa que resuelva la cinemática del mecanismo para todo el ciclo de trabajo discretizado en posiciones ligeramente espaciadas la una de la otra. Los datos de cinemática obtenidos permitirán utilizar la metodlogía de Newton-Euler para el análisis dinámico de maquinaria, obteniendo como solución del problema las fuerzas y torques activos que requiere la máquina al moverse para generar los valores de la cinemática calculada, además de las reacciones debidas al movimiento del mecanismo. Con los datos obtenidos de las reacciones dinámicas se llevarán a cabo análisis de esfuerzos por elemento finito. Toda esta información se entregará en reportes individuales de cada mecanismo y de cada etapa (síntesis, análisis cinemático, análisis dinámico y análisis de esfuerzos por elemento finito). 2.- Segunda etapa. En la segunda etapa se considera realizar la síntesis de un mecanismo de 4 barras engrando el cual considerará la determinación de las distancias nodales de las barras del mecanismo, así como los diámetros de paso de los engranes y número de dientes, es decir, únicamente aspectos geométricos-cinemáticos del mecanismo, para llevar a cabo posteriormente el análisis cinemático y dinámico cuya metodología sería en esencia la presentada para los mecanismos de la etapa uno con la diferencia de que se deberán incluir el principio de la ley fundamental de los engranes en las ecuaciones.Por otro lado, el último mecanismo propuesto deberá incluir la implementación de una leva, cuyo diseño implica técnicas diferentes a las de mecanismos basados en eslabonamientos. Para ello deberán utilizarse funciones de s-v-a-j (posición, velocidad, aceleración y jerk o golpeteo) continuas para todo el ciclo de trabajo de la máquina y que, dependiendo de las necesidades podrán utilizarse funciones polinomiales o trigonométricas para el diseño de la leva.Una vez conocidos los parámetros cinemáticos de la leva se deberá diseñar el resorte del seguidor con base a las aceleraciones calculadas en el análisis cinemático y así garantizar el cierre de fuerza que debe existir entre la leva y el seguidor para finalmente hacer un análisis dinámico de la leva y el mecanismo en el que esté implementada.De estos mecanismos sintetizados y analizados se realizarán también dibujos en Autodesk Inventor y se resolverán las ecuaciones en Wolfram Mathematica.Finalmente, todos los mecanismos sintetizados y que han sido dibujados en Inventor serán impresos en 3D para la fabricación de los modelos didácticos.Cabe mencionar que los resultados obtenidos al momento de la convocatoria del congreso internacional de la SOMIM 2021, serán presentados en dicho congreso persiguiendo su publicación en las memorias de este.
metadata.dc.description.goals: Primer año: 1.1 Se planteará un problema de movimiento de una máquina a diseñar la cual requiera de la generación de una trayectoria, conducción de un cuerpo o generación de función. 1.2 Se elaborarán bosquejos de diferentes propuestas de mecanismos para llevar a cabo la tarea de movimiento de la máquina a diseñar. Se considerarán al menos un mecanismo de 4 barras de biela-manivela-balancín, otro de 4 barras de biela-manivela-corredera, otro de 4 barras de biela-manivela-balancín engranado, uno de 6 barras de Stephenson o watt, y un mecanismo que incluya la incorporación de una leva, pudiendo quedar como posibilidad el diseño de un mecanismo flexible o "compliant". 1.3 Elaboración de un manual del uso de comandos básicos de Wolfram Mathematica y uso de interfaz de usuario. 1.4 Se dibujarán diagramas de síntesis para los mecanismos de 4 barras de biela-manivela-balancín, biela-manivela-corredera y el mecanismo de 6 barras de Stephenson o Watt en un software de dibujo como Inkscape o AutoCAD (ambos gratis para la comunidad UNAM) o Corel Draw. 1.5 Reporte de síntesis que incluye diagramas y ecuaciones desarrolladas en Office Word (gratis para la comunidad UNAM), así como memoria de cálculos desarrollada en Wolfram Mathematica para los mecanismos del punto 1.3. 1.6 Reporte de análisis cinemático y dinámico en Office Word, así como memoria de cálculos en Wolfram Mathematica para los mecanismos del punto 1.3. 1.7 Desarrollo de dibujos parámetricos en AutoDesk Inventor (Software gratuito para la comunidad UNAM) que servirán para la documentación de los reportes e impresión 3D de los modelos físicos de los mecanismos del punto 1.3. 1.8 Adquisición de un equipo de cómputo dedicado a la paquetería y personal participante del proyecto como son el responsable, profesores participantes, alumnos participantes, becarios y tesistas. 1.9 Compra de una impresora 3D y material de impresión que se utilizará para la impresión de modelos físicos plásticos mas económicos que si se maquinarán en materiales como aluminio o aceros, y que al considerar al menos 2 unidades impresas por cada diseño, representaría un ahorro significativo y también un costo de replicabilidad sumamente barato para la fabricación de mas modelos en el futuro. 1.10 Reporte de análisis de esfuerzos por elemento finito para condiciones de fuerzas calculadas por el análisis dinámico de los mecanismos sintetizados. Segundo año: 2.1 Se dibujarán diagramas de síntesis para los mecanismos de 4 barras de biela-manivela-balancín engranado y el mecanismo de leva-seguidor. 2.2 Reporte de síntesis que incluye diagramas y ecuaciones desarrolladas en Office Word, así como memoria de cálculos desarrollada en Wolfram Mathematica para los mecanismos del punto 2.2. 2.3 Reporte de análisis cinemático y dinámico en Office Word,así como memoria de cálculos en Wolfram Mathematica para los mecanismos del punto 2.2. 2.4 Desarrollo de dibujos parámetricos en AutoDesk Inventor (Software gratuito para la comunidad UNAM) que servirán para la documentación de los reportes e impresión 3D de los modelos físicos de los mecanismos del punto 2.2. 2.5 Impresión 3D de todos los modelos de los mecanismos de los puntos 1.3 y 2.2. Se tendrán al menos 2 modelos físicos por cada mecanismos para un total de al menos 10 modelos físicos. 2.6 Se realizará un reporte crítico de los pros y contras de cada uno de los mecanismos diseñados con base a los datos calculados analíticamente. 2.7 Elaboración de tesis con título tentativo "Alternativas de diseño mecánico para una máquina con movimiento oscilatorio en una línea de producción" 2.8 Reporte de análisis de esfuerzos por elemento fínito para condiciones de fuerzas calculadas por el análisis dinámico de los mecanismos sintetizados. 2.9 Presentación de los avances del proyecto en el congreso internacional de la SOMIM 2021 Segundo año:
metadata.dc.description.selfAssessment: Tal vez la parte más complicada de esta experiencia es que al ser este el primer proyecto PAPIME como responsable, las cuestiones logísticas y administrativas en el tema de compras, adquisiciones, almacén y becas hubieran sido mas simples o gratas con el contacto humano y asesoramiento en persona con los responsables de cada departamento. Ojalá no se mal interprete esta declaración, ya que se debe reconocer el gran esfuerzo de cada elemento y departamentos necesarios para alcanzar exitosamente la culminación de este proyecto y, que puede verse satisfactoriamente reflejado en el ejercicio presupuestal del proyecto y de los resultados alcanzados siendo estos comentarios más un desahogo de alivio por haber podido terminar bien este proyecto a pesar de las circunstancias, y para nada una reclamación. Aceptando que se puede mejorar en proyectos futuros sobre todo en cuanto ejecución logística no sería tan pretencioso de considerar una calificación de excelencia como un 10 de 10, pero se considera que se ha hecho un trabajo completo y de calidad suficiente para que un comité evaluador pudiera calificarlo entre un 8 y 9.5 sobre la escala de 10 dependiendo de sus niveles de exigencia.
metadata.dc.description.goalsAchieved: Primer año En cuanto a las metas propuestas para el primer año del proyecto están han sido cubiertas exitosamente en un 100% de lo planteado en el protocolo de proyecto, teniéndose bien definido un problema de movimiento de una máquina, bosquejos de propuestas de solución para los cinco mecanismos, un manual tutorial del uso de comandos básicos de wolfram mathematica, se tienen también todos los diagramas de síntesis y análisis de los mecanismos de esta etapa así como los reportes de cada uno de los procesos. De igual manera, se elaboraron todos los dibujos CAD y se adquirieron los equipos de cómputo e impresión 3D que permitieron realizar los trabajos computacionales mas elaborados como fueron los estudios de elemento finito y la elaboración de modelos impresos en plástico. Segundo año Las metas de este segundo año se alcanzaron prácticamente en su totalidad salvo por la meta 2.7 donde se declara la elaboración de una tesis y el punto 2.9 que aborda la presentación de los resultados en el congreso internacional de la SOMIM 2021. En cuanto al trabajo de tesis, se tienen de hecho dos estudiantes que están realizando sus tesis al rededor de los resultados de este proyecto. El primero de ellos es el C. Ian Yamil Paniagua Flores que de hecho fue becario de este proyecto durante el segundo periodo y colaborador a lo largo de todo el proyecto. El estudiante en cuestión ya ha egresado y en general ha realizado todo lo necesario para registrar su trabajo de tesis pero por cuestiones administrativas no se le ha suministrado el documento oficial de liberación de servicio social el cual es requisito para el registro de modalidad de titulación. Estos trámites han sido afectados en productividad por problemáticas derivadas del periodo de contingencia pero el trabajo lleva un progreso del 70% aproximadamente y no dudo que en cuanto se pueda realizar el registro, el mayor contratiempo serán los tiempos de los trámites administrativos existiendo el firme compromiso por parte de este responsable del proyecto y del estudiante en continuar con esta modalidad de titulación. En cuanto a la meta de presentar los avances del proyecto en la SOMIM, se expresó la justificación de que por problemas familiares derivados del COVID 19 no se pudo tuvo la oportunidad de realizar el registro. Dicha justificación esta expresa en la solicitud de transferencia de folio 144-21 la cual fue aprobada para transferir los recursos destinados a este congreso y dirigirlos a apoyar más estudiantes con becas. Ya que se considera que se tiene un buen trabajo, existe el compromiso e interés del responsable y colaboradores en presentar los resultados del proyecto en el marco de la SOMIM 2022 para lo cual se adjunta como evidencia el abstract del artículo que se enviará a revisión, dirigiendo el trabajo al área temática de Educación en Ingeniería, sin olvidar el agradecimiento expreso a la UNAM, la DGAPA y el programa institucional PAPIME, así como el folio del proyecto.
metadata.dcterms.provenance: Facultad de Estudios Superiores (FES) Aragón
metadata.dc.subject.DGAPA: Ingenierías
metadata.dc.type: Proyecto PAPIME
Aparece en las colecciones: 1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías

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