Diseño de un brazo de excavadora hidráulica. Generación de su prototipo virtual y simulación mecánica

Abstract

[ES] Los requerimientos cada vez más exigentes y la necesidad de adaptarse a los nuevos estándares y normas internacionales, además de utilizar nuevos y mejores materiales que incrementen el rendimiento a la par que reduzcan los costes, han conllevado a la creación de sistemas mecánicos constantemente más modernos y complejos. Sin duda, uno de los elementos más influyentes en el crecimiento de esta tendencia de optimización de dichossistemas ha sido el desarrollo de herramientas de diseño mecánico por ordenador, las cuales permiten diseñar diferentes tipos de máquinas y mecanismos, así como simular su comportamiento estático y dinámico en diferentes condiciones de operación. Por ello, la capacidad de desenvolverse con facilidad en diferentes herramientas de este ámbito es una competencia cada vez más valorada en los Ingenieros Industriales, independientemente de su rama o especialidad. Esta es la principal motivación de este Trabajo Fin de Grado (TFG), en el cual se utiliza una de las herramientas de CAD 3D profesional que más ha crecido en los últimos años, Autodesk Inventor, para realizar el diseño mecánico de un brazo de excavadora hidráulica. En primer lugar, se diseñan individualmente todas las partes necesarias para el modelo y se explican detalladamente las operaciones que se llevan a cabo en la generación de cada una, así como las dimensiones más importantes. A continuación, se ensamblan todas las piezas en un conjunto mediante la aplicación de una serie de restricciones y uniones, a partir del cual se llevan a cabo varias simulaciones dinámicas que permiten comprobar si el prototipo virtual cumple los objetivos prefijados. Por último, se realiza un análisis de tensión de las piezas principales de dicho prototipo mediante el Método de los Elementos Finitos (FEM) que concluye si el diseño de las piezas es correcto y si la selección de los materiales ha sido adecuada.

[CA] Els requeriments cada vegada més exigents i la necessitat d'adaptar-se als nous estàndards i normes internacionals, a més d'utilitzar nous i millors materials que milloren el rendiment al mateix temps que redueixin els costos, han comportat la creació de sistemes mecànics constantment més moderns y complexos. Sense dubte, un dels elements més influents en el creixement d'aquesta tendència d'optimització d'aquests sistemes ha sigut el desenvolupament de ferramentes de disseny mecànic per ordinador, les quals permeten dissenyar diferents tipus de màquines i mecanismes, així com simular el seu comportament estàtic i dinàmic en diferents condicions d'operació. Per aquesta raó, la capacitat per desenvolupar-se fàcilment amb diferents ferramentes d'aquest àmbit és una competència cada vegada més valorada en els Enginyers Industrials, independentment de la seua especialitat. Aquesta és la motivació principal d'aquest Treball Fi de Grau (TFG), en el que s'utilitza una de les ferramentes de CAD 3D professional que més ha crescut en els últims anys, Autodesk Inventor, per a realitzar el disseny mecànic d'un braç d'excavadora hidràulica. En primer lloc, es dissenyen individualment totes les peces necessàries per al model i s'expliquen amb detall les operacions que es duen a terme en la generació de cadascuna, així com les dimensions més importants. Després, s'acoblen totes les peces en un conjunt mitjançant l'aplicació d'una sèrie de restriccions i d'unions, a partir del qual es duen a terme diverses simulacions dinàmiques que permeten comprovar si el prototip virtual compleix tots els objectius prefixats. Per últim, es realitza un anàlisi de tensió de les peces més importants del prototip virtual mitjançant el Mètode dels Elements Finits (FEM) que conclou si el disseny de les peces és el correcte i la selecció dels materials és adequada.

[EN] The increase of the requirements, the necessity of adapting to the new standards and international regulations, and the desire of using new materials that improve the performance at the same that the costs decrease have carried out the creation of each time newer and more complex mechanical systems. There is no doubt that one of the most influential factors in the growing tendency of optimization of these systems has been the development of computer aided mechanical design software, which can be used to design different types of machines and mechanisms. What is more, these kind of tools are capable of simulating its static and dynamic behavior in different operating conditions. This is why the ability of using these kind of tools with easiness is becoming increasingly more valued among Industrial Engineers, regardless of the field or specialization. Furthermore, this is the main motivation of this Bachelor’s Thesis, in which one of the most innovating 3D CAD tools, Autodesk Inventor, is used to create the mechanical design of a backhoe arm. Firstly, the design of all the necessary parts for the model is done. It is also explained in detail how it has been done, the kind operations that are required and the main dimensions of the parts. After that, all the model parts are assembled through the application of different kinds of marriages and restrictions. Then, some dynamic simulations are carried out to make sure that all the prefixed targets have been reached. Finally, a tension analysis to the main parts of the virtual prototype is done meanwhile the Finite Element Method (FEM). It concludesif the model has been designed correctly and if the materials have been selected properly.