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Diseño y Validación de un Modelo de Chasis de Drone Impreso en 3D a Través de Análisis No Lineales Estáticos y Transitorios por Elementos Finitos y Pruebas Experimentales

Autores: Al-Hadithi, Basil Mohammed; Alcón Flores, Sergio

Idioma: Inglés

Editor: MDPI

Año: 2025

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Acceso abierto

Artículo científico
2025

Diseño y Validación de un Modelo de Chasis de Drone Impreso en 3D a Través de Análisis No Lineales Estáticos y Transitorios por Elementos Finitos y Pruebas Experimentales


Categoría

Ingeniería y Tecnología

Subcategoría

Ingeniería Robótica

Palabras clave

Análisis estructural
Validación
Chasis de dron FPV
Marco sin tornillos
Simulaciones FEM
Escenarios de choque

Licencia

CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual

Consultas: 1

Citaciones: Sin citaciones


Descripción
Este trabajo presenta el análisis estructural y la validación de un chasis de dron FPV de menos de 250 g, enfatizando tanto el rigor teórico como la aplicabilidad práctica. La novedad de esta contribución radica en cuatro aspectos complementarios. Primero, la filosofía estructural introduce un marco sin tornillos con brazos intercambiables, unidos a través de mecanismos de encaje inspirados en la carpintería japonesa tradicional. Este enfoque mitiga las concentraciones de estrés, reduce el peso al eliminar los sujetadores y permite un rápido reemplazo de brazos en el campo. En segundo lugar, la validación se basa en simulaciones FEM estáticas y transitorias no lineales, incluyendo explícitamente escenarios de choque a 5 m/s, verificadas sistemáticamente con pruebas de banco y ensayos de vuelo instrumentados. En tercer lugar, a diferencia de la mayoría de los estudios estructurales, el marco integra firmware (Betaflight), GPS, telemetría y rendimiento real de vuelo, vinculando la fiabilidad estructural con la robustez operativa. Finalmente, se implementó un camino práctico de materiales a través de una estrategia de doble vía: PETG para prototipos rápidos y de bajo costo, y compuestos de fibra de carbono como referencia para el rendimiento a nivel de producción. Se llevaron a cabo análisis FEM transitorios no lineales utilizando Inventor Nastran bajo múltiples casos de carga, incluyendo la aceleración máxima del motor, maniobras de inclinación e impacto lateral a 40 km/h, y se validaron contra modelos analíticos simplificados. La validación experimental incluyó pruebas de banco y ensayos en vuelo con telemetría integrada y características autónomas como el regreso a casa, demostrando robustez funcional. Los resultados muestran que el prototipo vuela correctamente y que el chasis soporta las cargas experimentadas durante el vuelo, incluyendo aceleraciones de hasta 4.2 G (41.19 m/s2), cambios bruscos de dirección y maniobras a alta velocidad alcanzando aproximadamente 116 km/h. Cuantitativamente, los factores de seguridad de aproximadamente 5.3 bajo el empuje máximo y 1.35 durante el impacto confirman una integridad estructural suficiente para las condiciones operativas. En comparación con trabajos anteriores revisados en este estudio, la contribución clave de este trabajo radica en unificar simulaciones FEM avanzadas y resistentes a choques con validación de vuelo vinculada al firmware y una estrategia de materiales escalable, estableciendo un flujo de trabajo distintivo y completo para el desarrollo de UAV de menos de 250 g.

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