MEMORIA FINAL DE PROYECTOS DE INNOVACIÓN DOCENTE ... · propone la construcción de un sistema mecánico diseñado y construido por alumnos para realizar ensayos experimentales

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE JJAAÉÉNN Vicerrectorado de Docencia y Profesorado

Secretariado de Innovación Docente y Formación del Profesorado

MEMORIA FINAL DE PROYECTOS DE INNOVACIÓN DOCENTE

CONVOCATORIA CURSO 2010/2012

DATOS DEL/DE LA SOLICITANTE

Nombre Rafael

Apellidos López García

D.N.I. 24149521-G E-mail [email protected]

Centro EPS JAÉN Teléfono 953212438

Departamento INGENIERÍA MECÁNICA Y MINERA

Categoría Profesor Titular de Escuela Universitaria

DATOS DEL PROYECTO

Título Metodología docente basada en proyectos de diseño: estudio de la

absorción de energía en materiales para ingeniería.

Línea de actuación Proyecto de Innovación de docente por titulación.

Departamento/s implicados INGENIERÍA MECÁNICA Y MINERA

Asignatura/s implicada/s Diseño de Máquinas I, Diseño de Máquinas

II, Cinemática y Dinámica de Máquinas,

Tecnología Mecánica, Mecánica General,

Metrología dimensional, Ingeniería del

Mecanizado, Tecnología de Fabricación,

Métodos de Fabricación. Métodos

avanzados en el Diseño Mecánico.

Titulación/Grado implicado/s INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL

Curso/s implicado/s 2º , 3º , 4º curso

Nº de alumnos afectados 250



MEMORIA DEL PROYECTO

Justificación La adaptación de las asignaturas de la titulación de Ingeniería Técnica Industrial al marco del Espacio Europeo de Educación Superior (EEES) hace que la Innovación Docente sea determinante para desarrollar las competencias y los conocimientos necesarios en los alumnos. La implantación de metodologías de enseñanza novedosas y específicas para los alumnos de la intensificación de Mecánica es importante para su aprendizaje y formación. Estas metodologías son distintas a las tradicionales que estaban basadas en clases teóricas y prácticas. Ahora se pretende, mediante el desarrollo de proyectos, que los alumnos adquieran los conocimientos necesarios. La formación sobre el concepto de energía, como es: la energía cinética, energía potencial, conversión entre ambas y absorción de energía en los sistemas mecánicos usados para el desarrollo de máquinas de diversa utilidad (maquinaria agrícola, maquinaria de ensayos, maquinaria industrial), son conceptos fundamentales para la formación de un Ingeniero Industrial. En este proyecto se propone desarrollar un sistema mecánico real con el que poder analizar de forma experimental la absorción de energía en materiales de ingeniería (metales plásticos, materiales compuestos, etc.) sometidos a cargas de impacto. Para ello se pretende implementar una metodología docente basada en la realización de proyectos de diseño dirigidos a evaluar las propiedades mecánicas de los materiales ante condiciones de impacto. Se propone la construcción de un sistema mecánico diseñado y construido por alumnos para realizar ensayos experimentales. El diseño del sistema/s mecánico/s se realizará mediante software CAD de diseño, lo que implica un gran interés por parte de los alumnos según experiencias en previos proyectos realizados. Por tanto, con la metodología propuesta, los alumnos podrán observar y analizar físicamente los conocimientos teóricos adquiridos en relación al concepto de energía. Varias asignaturas de la titulación estarán implicadas ya que las fases a desarrollar por el alumno se inician desde los conocimientos teóricos necesarios, seguido por el diseño de los elementos mecánicos, su fabricación, así como ensayos experimentales que corroboren los resultados analíticos obtenidos. Esta metodología docente basada en proyectos reales conllevará que los alumnos adquirirán una visión práctica y similar a lo que posteriormente será el desarrollo de su profesión en la industria.



Objetivos conseguidos El objetivo que se persigue con este proyecto es el desarrollar nuevas competencias en los alumnos al permitirle mediante la realización de proyectos dirigidos, analizar experimental y analíticamente sistemas mecánicos que se utilizarán para las prácticas en las cuales, mediante ensayos reales, se abordará el concepto absorción de energía en materiales sometidos a cargas de impacto. Para ello, con este proyecto de Innovación Docente se pretende:

Desarrollar e implantar una metodología docente que, desarrollando determinadas competencias en los alumnos, les motiven para la realización de proyectos reales de ingeniería. Para ello se realizarán proyectos tutelados donde se desarrollen sistemas mecánicos similares a los desarrollados en la actividad profesional de un ingeniero, involucrando al alumnado desde el diseño hasta la fabricación y puesta a punto de los mismos.

Utilización por parte de los alumnos de software de diseño altamente extendidos en la industria y que les permita el análisis de problemas reales.

Comparación de los resultados analíticos y experimentales lo que les dará a algunas asignaturas de la titulación de Ingeniería Industrial Mecánica un enfoque más práctico y cercano al trabajo a desarrollar en el futuro por un Ingeniero.

Motivar al alumno en el aprendizaje de conceptos abstractos mediante la realización de trabajos prácticos.

Adaptar las metodologías y extenderlas a otras materias implicadas en el análisis de este tipo de problemas. En particular, en el primer año, se ha abordado los dos primeros puntos de los objetivos explicados anteriormente. La concepción por parte de los alumnos de esta nueva metodología de aprendizaje con la cual han desarrollado proyectos donde se estudia tanto analíticamente como con simulaciones mediante software CAD distintos mecanismos de impacto. A partir de este objetivo se pretende que el alumno se familiarice con el programa de diseño CAD Solid-Works, ya que es la primera vez durante sus estudios de la titulación que es utilizado. A partir de los diseños realizados, comprobar que los cálculos analíticos realizados previamente de diseño de ejes, tornillos, cojinetes, etc se corroboran con las simulaciones de análisis estático realizadas mediante el programa de Elementos Finitos. De esta forma, los objetivos alcanzados son los óptimos para afrontar la segunda parte, que corresponde a la simulación de estos mecanismos, así como la construcción de alguno para realizar ensayos experimentales y así poder correlar los resultados obtenidos mediante simulaciones numéricas.



Contenidos desarrollados

La creciente demanda por parte del sector Industrial de ingenieros que

tengan conocimientos de programas CAD hace que el alumnado muestre un

gran interés en el aprendizaje de estos. En las metodologías utilizadas hasta

el momento en las titulaciones de Ingeniería Técnica Industrial, se elegía

mayoritariamente una metodología tradicional, basada en clases teóricas y

prácticas. Con el uso de esta metodología, se pretende aunar los

conocimientos adquiridos por los alumnos a lo largo de la titulación

buscando conexión de todos ellos mediante la realización de proyectos que

abarquen todas las disciplinas principales de la ingeniería como son estudios

analíticos, numéricos y experimentales. A la misma vez se pretende que el

alumno explore otros temas de más complejidad que no han sido abordados

durante la realización de las asignaturas de la titulación y de este modo se

incentiva el aprendizaje mediante metodologías novedosas.

Así pues, el contenido durante este primer año ha sido el estudio analítico de

sistemas mecánicos ideados por el alumno, teniendo que utilizar los

conocimientos adquiridos en asignaturas como Física, Mecánica, Diseño de

Máquinas, Cinemática y Dinámica. Posteriormente se ha pasado al

aprendizaje de un programa CAD denominado Solid-Works, mediante el cual

los alumnos han entendido el concepto de este tipo de programas y han

podido corroborar numéricamente que los cálculos analíticos obtenidos

previamente son correctos.

Estos contenidos son muy similares a los que en el futuro se enfrentará el

alumno en su vida profesional, así pues resultará muy interesante esta

metodología para preparar a los alumnos mediante problemas reales.



Descripción global de la experiencia

La planificación del proceso de aprendizaje se ha definido basándose en el

desarrollo de competencias a través de la ejecución de proyectos. Los

objetivos se han establecido según la metodología mencionada en sucesivas

etapas de la ejecución de los proyectos por parte de los alumnos.

La experiencia desarrollada se resume en los siguientes puntos:

Elección por parte de los alumnos de elementos de mecánicos capaces

de generar impactos; caída por gravedad, elementos mecánicos

adaptados de máquinas Charpy, etc.

Análisis estático y cinemático de los elementos mecánicos a

desarrollar para cumplir una serie de objetivos como energía máxima

de impacto, tamaño variable de probeta a impactar, conversión de la

energía potencial en energía cinética durante el ensayo, etc.

Realización de modelos en 3D de los sistemas previamente analizados,

simulando el movimiento y comprobación de la similitud de

resultados tanto analíticamente como numéricamente.

Análisis de durabilidad de los elementos ya que serán en una segunda

fase construidos y se utilizarán para la realización de ensayos.

Fabricación de máquinas diseñadas, empleando los conocimientos

adquiridos en las asignaturas involucradas en el proyecto.

Ensayos experimentales y correlación con los resultados obtenidos

numéricamente.



Metodología empleada

(sesiones de trabajo, actividades, recursos didácticos, cronograma, etc)

La metodología empleada durante el proyecto se desglosa en los siguientes

puntos:

1: Estudio de los elementos mecánicos a diseñar.

Durante esta fase, los alumnos interesados por esta metodología hacen una

revisión general de los elementos mecánicos de impacto que existen en el

mercado. Eligen uno de ellos sobre los cuales se hacen una serie de

modificaciones para cumplir una serie de requisitos (demandados por los

profesores participantes) de manera que sea un problema novedoso y se

establezca una relación con el alumno de una necesidad por parte de un

cliente y el ingeniero que debe satisfacer esa necesidad. De esta manera se

intenta generar un vínculo o una situación parecida a la que el alumno se

encontrará en su futuro profesional. Si bien, el alumno es guiado en todo

momento en el proceso debido a que es una metodología docente en la que

el alumno debe de aprender cómo afrontar la resolución de este tipo de

problemas. Para desarrollar este punto, los alumnos hacen uso de los

conocimientos adquiridos durante la superación de las asignaturas de la

titulación y tienen reuniones periódicas con los profesores para tratar temas

de interés para el alumno.

2: Puesta en común de los elementos mecánicos.

En la metodología propuesta, se buscan puntos en común entre los distintos

mecanismos de manera que se genera un trabajo en equipo entre los

alumnos, competencia totalmente necesaria y a potenciar. Para ello se

realizan reuniones periódicas donde los alumnos explican el trabajo

desarrollado y se establecen las premisas para la continuación de los

trabajos. Así mismo se potencia la competencia de la exposición oral de los

trabajos.



3: Diseño mediante un software CAD de los elementos mecánicos.

El alumno comienza el aprendizaje del programa CAD Solid-Works mediante

la realización de problemas sencillos, realizando problemas más complejos a

medida que el alumno adquiere destreza y habilidad. Además se pone

énfasis en que el alumno aprenda a interpretar los resultados obtenidos

mediante las simulaciones y se puedan comparar con los obtenidos

analíticamente. Los recursos proporcionados a los alumnos son las licencias

educativas que tiene la Universidad de Jaén del programa empleado.

4. Simulación numérica empleando el software CAD utilizado para el

diseño.

En este punto, el alumno aprenderá nuevos paquetas del software

comentado, así mismo establecerá unas condiciones de ensayos

reproducibles igualmente en el laboratorio para poder realizar una

comparativa de los resultados.

5. Fabricación de alguna máquina diseñada.

Para ello, los alumnos propondrán un diseño, el cual será fabricado y se

aplicarán los contenidos aprendidos en las asignaturas involucradas en el

presente proyecto. Además se tendrán en cuenta la influencia de diferentes

parámetros, los cuales son importantes para obtener unos resultados de alta

precisión.

6. Realización de Ensayos.

Los alumnos realizarán ensayos con determinadas propiedades, tanto

numéricos como experimentales. Se hará especial hincapié en conceptos

tales como energía potencial, energía cinética, conversión entre ambas,

análisis cinemáticos y dinámicos de los mecanismos etc.

7. Comparación de resultados numéricos y experimentales

8. Extrapolación de la metodología propuesta al estudio de otros

problemas de diseño más complejos.



Resultados obtenidos

(los materiales o documentos que se hayan producido en la experiencia deben

presentarse en forma de anexo)

Los resultados obtenidos han sido elementos mecánicos cuyas resultados de

las simulaciones han sido coherentes a los resultados obtenidos

analíticamente. Por tanto los conocimientos adquiridos por los alumnos son

satisfactorios, llegando a niveles incluso mayores de los planteados al

comienzo de la metodología.

De forma resumida los resultados observados con la aplicación de la

metodología propuestas son:

1. Diseño de elementos mecánicos para realizar impactos

A continuación se muestran algunas imágenes de los elemento mecánicos

diseñados y sus detalles más representativos ( figura 1 y figura 2):

Figura 1: Elemento mecánico de impacto por gravedad



Figura 2: Elemento mecánico de impacto partiendo de una máquina Charpy



2. Resultados cinemáticos y dinámicos de los análisis de movimiento de

los elementos diseñados.Figura 3 y 4.

Figura 3: Velocidad lineal del péndulo impactando.

Figura 4: Energía Cinética

3. Análisis numéricos de los ensayos de impacto.

En ellos se realiza por parte de los alumnos un estudio de ensayos

virtuales de impacto.



Obteniendo resultados de tensiones y desplazamientos que se

compararon con los resultados experimentales.

Figura 5: Estudio numérico.

Figura 6: Desplazamientos sufridos por la probeta tras el impacto.



4. Fabricación y ensayos experimentales. Mediante los cuales se hace

participara a los alumnos en actividades en el Laboratorio. Figura 7.

444. resewee

Figura 7: Máquinas fabricada para ensayos experimentales

5. 5. Comparación de resultados experimentales y numéricos. Para la

comparativa de resultados se han realizado ensayos de similares

características tanto experimental como numéricamente. Se han

comparado resultados de velocidad, desplazamientos, etc. Poniendose

de manifiesto, la utilidad de las simulaciones en la industria ya que

realizando ensayos virtuales, el coste de los pruebas se reduce

considerablemente.

6. 6. Posibilidad del uso de los sistemas desarrollados para futuras

prácticas con los alumnos dentro de la titulación de Grado en

Ingeniería Industrial, de forma que se consigue dar un enfoque

multidisciplinar a la asignaturas, pudiente aplicar de forma

simultánea los procedimientos experimental, analítico y numérico.

7. 7. Mayor interés por parte de los alumnos en este tipo de proyectos.

Se consigue mediante la muestra de los trabajos realizados por otros

compañeros así como por los resultados obtenidos, que los alumnos

manifiesten su interés en proyectos futuros, debido a la tangibilidad

de los proyectos mostrados.



Proyección e Impacto

(transferencia de los resultados y mejoras en el aprendizaje demostrables)

Tras la experiencia realizada, las principales utilidades que se han

experimentado han sido las siguientes:

- El alumno ha experimentado con un conjunto de herramientas que

favorecen su autoaprendizaje previo a su incorporación al mundo laborar o

la su continuidad en estudios superiores. Las herramientas empleadas

(software de diseño y cálculo Solidwork/COSMOS) han resultado de gran

utilidad para el alumno permitiéndolo afianzar de forma práctica algunos de

los conceptos desarrollados en el transcurso de las clases.

- Se ha generado gran cantidad de material que ha implicado un esfuerzo,

que se irá rentabilizando en siguientes cursos, conforme se extienda la

aplicación a otros motores.

- Al material producido se le ha dado proyección hacia fuera de esta

Universidad, con la presentación de los resultados en Congresos de

Innovación Docente (ver artículo Anexo I presentado en las II Jornadas sobre

Innovación Docente y Adaptación al EEES en las Titulaciones Técnicas

mediante una comunicación denominada: “METODOLOGÍA DOCENTE

BASADA EN PROYECTOS DE DISEÑO: ESTUDIO DE LA ABSORCIÓN DE

ENERGÍA EN MATERIALES PARA INGENIERÍA.” Granada 2011.

Así mismo en el Anexo II, se puede comprobar que se la ha dado proyección internacional a la metodología desarrollada, mediante la presentación de una comunicación en el congreso EUCOMES, que se desarrollará en Septiembre de 2012 en Santander, habiendo sido aceptado dicho artículo cuya denominación es: Teaching Methodology Based on a Mechanism Design: Test Impact Machine.



Evaluación del proceso y Autoevaluación

(instrumentos y recursos empleados)

Se ha evaluado el proceso mediante el análisis de los resultados obtenidos

por el alumnado, siendo este de alta calidad, analizando que los resultados

analíticos y los numéricos obtenidos fuesen similares y que la compresión

por parte de los alumnos fuese satisfactoria, concluyendo que la

participación, interés, y desarrollo de los alumnos ha sido muy buena.

Debido a esta metodología otros alumnos han mostrado interés por ella

queriendo participar.

Los resultados son esperanzadores, permitiendo plantear un nuevo enfoque

de la docencia de materias y conceptos difíciles para asimilar por parte de los

alumnos.

Otras consideraciones

Para la obtención de resultados más precisos, se pretende en los próximos

cursos extender el empleo de la metodología desarrollada a otras temáticas

para poder extraer información relativa al grado de satisfacción alcazado por

los alumnos, debido a que esta tarea debe ser continuada en varios años.

Gastos generados en el segundo año

Fungibles 360€

Inventariables 1065€

Viajes/Actividades 76 €

Otros

Justificación

Viajes/Actividades: Congreso celebrado en Granada.

Inscripción 50€, transporte 26€.



Inventariable: Célcula para mediciones de cargas

dinámicas de la marca HBM. El resto de equipo

necesario para su utilización ha sido adquirido con

recursos propios.

Fungibles: Fabricación de probetas para correlación de

resultados, así como construcción de estructuras.

METODOLOGÍA DOCENTE BASADA EN PROYECTOS DE DISEÑO: ESTUDIO DE LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA EN MATERIALES PARA INGEN IERÍA.

LÓPEZ-ALBA, Elías (1) ; FELIPE-SESÉ, Luis (1)

; ROMERO, Pablo (1) ; VASCO-OLMO,

José Manuel (1) ; GÓMEZ-MORENO, Ángel (1) ; LÓPEZ-GARCÍA ,RAFAEL (1)

(1) Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Jaén. (España)

Resumen:

La adaptación de las asignaturas de la titulación de Ingeniería Técnica Industrial al marco del Espacio Europeo de Educación Superior (EEES) hace que la Innovación Docente sea determinante para desarrollar las competencias y los conocimientos necesarios en los alumnos. En este trabajo se desarrollan diversos sistemas mecánicos virtuales con los que poder analizar la absorción de energía en materiales de ingeniería (metales plásticos, materiales compuestos, etc.) sometidos a cargas de impacto. Para ello se pretende implementar una metodología docente basada en la realización de proyectos de diseño dirigidos a evaluar las propiedades mecánicas de los materiales ante condiciones de impacto.

Palabras clave

Proyectos, Ensayo de materiales, Innovación Docente, Impacto

1. INTRODUCCIÓN

La adaptación de las asignaturas de la titulación de Ingeniería Técnica Industrial al marco del Espacio Europeo de Educación Superior (EEES) hace que la Innovación Docente sea determinante para desarrollar las competencias y los conocimientos necesarios en los alumnos [1]. La implantación de metodologías de enseñanza novedosas y específicas para los alumnos de la intensificación de Mecánica es importante para su aprendizaje y formación [2]. Estas metodologías son distintas a las tradicionales que estaban basadas en clases teóricas y prácticas. Ahora se pretende, mediante el desarrollo de proyectos, que los alumnos adquieran los conocimientos necesarios. La formación sobre el concepto de energía, como es: la energía cinética, energía potencial, conversión entre ambas y absorción de energía en los sistemas mecánicos usados para el desarrollo de máquinas de diversa utilidad (maquinaria agrícola, maquinaria de ensayos, maquinaria industrial), son conceptos fundamentales para la formación de un Ingeniero Industrial. En este trabajo se propone en una primera fase desarrollar sistemas mecánicos virtuales con los que poder simular probetas sometidas a impactos y analizar la absorción de energía en materiales de ingeniería (metales plásticos, materiales compuestos, etc). Para ello se pretende implementar una metodología docente basada en la realización de proyectos dirigidos a evaluar las propiedades mecánicas de los materiales ante condiciones de impacto.

El diseño del sistema/s mecánico/s se realizará mediante un software CAD de diseño, lo que implica un gran interés por parte de los alumnos según experiencias en previos proyectos realizados [3]. Por tanto, con la metodología propuesta, los alumnos podrán observar y analizar físicamente los conocimientos teóricos adquiridos en relación al concepto de energía. Varias asignaturas de la titulación estarán implicadas ya que las fases a desarrollar por el alumno se inician desde los conocimientos teóricos necesarios, seguido por el diseño de los

elementos mecánicos, su fabricación, así como ensayos experimentales que corroboren los resultados analíticos y numéricos obtenidos. Esta metodología docente basada en proyectos reales conllevará que los alumnos adquirirán una visión práctica y similar a lo que posteriormente será el desarrollo de su profesión en la industria.

2. METODOLOGÍA

La adquisición de conocimientos por parte del alumno en el transcurso de la titulación pueden quedar inconexos debido a la estructura de los planes de estudios distribuyendo los contenidos en asignaturas. Para generar una visión global de la titulación, el aprendizaje mediante proyectos puede ser una metodología útil debido a que en la realización de los mismos se encuentran involucradas las asignaturas de la especialidad de mecánica como son: Diseño de Máquinas I, Diseño de Máquinas II, Cinemática y Dinámica de Máquinas, Tecnología Mecánica, Mecánica General, Metrología dimensional, Ingeniería del Mecanizado, Tecnología de Fabricación, Métodos de Fabricación, Métodos avanzados en el Diseño Mecánico. Por ello el desarrollo de la metodología propuesta puede aunar los conocimientos de los conceptos adquiridos, aplicándolos en las distintas fases del desarrollo de un proyecto de ingeniería. La metodología engloba en dos fases, la primera ( que es la que se muestra en este trabajo ) será el diseño por parte de los alumnos de sistemas mecánicos virtuales mediante los cuales pueden analizar y concluir cual es el diseño óptimo de un sistema mecánico y su funcionamiento para generar impactos a distintas energías. La segunda fase que será en un trabajo futuro, será la de fabricar uno de estos mecanismos y mediante la mecánica experimental profundizar en los conocimientos de energía potencial, energía cinética, absorción de energía y el fenómeno de impacto.

La metodología desarrollada tendrá como principales objetivos:

• Desarrollar e implantar una metodología docente que, desarrollando determinadas competencias en los alumnos, les motiven para la realización de proyectos reales de ingeniería. Para ello se realizarán proyectos tutelados donde se desarrollen sistemas mecánicos similares a los desarrollados en la actividad profesional de un ingeniero, involucrando al alumnado desde el diseño hasta la fabricación y puesta a punto de los mismos.

• Utilización por parte de los alumnos de software de diseño altamente extendidos en la industria y que les permita el análisis de problemas reales.

• Comparación de los resultados analíticos y experimentales lo que les dará a algunas asignaturas de la titulación de Ingeniería Industrial Mecánica un enfoque más práctico y cercano al trabajo a desarrollar en el futuro por un Ingeniero.

• Motivar al alumno en el aprendizaje de conceptos abstractos mediante la realización de trabajos prácticos.

• Adaptar las metodologías y extenderlas a otras materias implicadas en el análisis de este tipo de problemas.

3. RESULTADOS

Como resultado de esta primera fase en la implantación de la metodología que abarca el diseño de sistemas mecánicos virtuales, se han seleccionado dos. El primero una máquina de impacto por caída libre (Figura 1), la cual se ha diseñado para poder tener versatilidad en el tamaño de las probetas a ensayar (Figura 2) pudiendo desarrollar impactos de diversas energías. Además se puede variar la energía potencial inicial del ensayo variando la altura y el peso del impactador, que sería la suma del impactador y la estructura sobre el cual va atornillado( Figura 3).

Figura 1: Mecanismo Virtual de Impacto por caída libre

Figura 2: Mecanismo de sujeción de probetas Figura 3: Estructura soporte del impactador

El segundo sistema desarrollado ha sido una modificación de una máquina tradicional Charpy (Figura 4), la cual se utiliza para generar impactos a determinadas energías, pudiendo intercambiar el impactador de bola, y con una cogida ajustable a distintos tamaños de probetas (Figura 5A). Así mismo se han dimensionado los elementos que componen el mecanismo (Figura 5B) de forma analítica previo a su dimensionamiento con el programa CAD [4].

Figura 4: Mecanismo virtual de impacto por gravedad

Figura 5: A) Elemento impactador. B) Sujeción de las probetas

4. CONCLUSIÓN

En esta primera fase de la implantación de la metodología, se obtiene como principal resultado el interés de los alumnos por desarrollar proyectos tutelados y la motivación en el desarrollo de los sistemas mecánicos virtuales, adquiriendo competencias en la utilización de Software CAD, así como en la interpretación entre los resultados analíticos y los obtenidos mediante los programas de Elementos Finitos. Así mismo se valora la mejora sustancial del trabajo en equipo debido a que los distintos proyectos tienen puntos comunes donde los alumnos deben interaccionar tomando decisiones conjuntas para el desarrollo de los trabajos.

Debido a los resultados satisfactorios de la primera fase de la metodología propuesta, se procederá en el futuro al desarrollo de la segunda fase, que consistirá en la fabricación de algunos de los elementos y el posterior desarrollo de ensayos de impacto experimentales donde los resultados obtenidos puedan ser comparados con los numéricos.

Bibliografía [1] Aneca (2006) Libro Blanco de Titulaciones de Ingeniería Rama Industrial (propuesta escuelas técnicas superiores en ingeniería industrial) Madrid: ANECA. [2] Universidad de Jaén (2008).” Experiencia piloto para la implantación del sistema de créditos europeos (ECTS) en Ingeniería Técnica Industrial. [3] Steffen, J.R. (2006). “Analysis of machine elements using cosmosworks professional SDC” [4] Shingley, J.E., Mischke, Ch.R. (1990). Diseño en Ingeniería Mecánica, Mc Graw Hill Steffen, J.R. (2006). Analysis of machine elements using cosmosworks professional SDC.

Agradecimientos: Este trabajo ha sido posible gracias a la ayuda de la Universidad de Jaén a través de un proyecto de Innovación Docente y la colaboración prestada en la fase de simulación por Luís Quesada y Pablo Ruiz.

A B

1

Teaching methodology based on mechanism designed: test impact machine

E. López-Alba1, R. López-García1, R. Dorado-Vicente1, F.A. Díaz-Garrido1

1University of Jaén, Spain, e-mail: [email protected]

Abstract. Engineering education is a fruitful research issue due to the evolution produced in the Uni-

versities. The design and analysis of real mechanisms enhance the skills and knowledge acquired dur-

ing a Mechanical Engineering degree. This paper is devoted to show a teaching methodology based on

a project and how it improves the students’ competences. We propose the design of an impact machine,

because it is a multidisciplinary problem. To model the mechanism, a 3D Computer Aided Design

software was used. This software helps to understand the mechanical system and the components in-

volved in its assembly. The simulation of the movement and the work condition are compared with a

theoretical model. The instruction in this software is very important to success as professional engi-

neers.

Key words: Teaching Methodology, Impact Machine, 3D model, Mechanism analysis.

1 Introduction

The objective in the last decade after the Bologna declaration [1] has been to update the educational models in order to construct a common European educa-tional space. The innovation is essential to develop the competences and the knowledge necessary for the student [2].

The creations of new specific teaching methodologies in the Engineering Me-chanical degree improve the learning and training of the student [3]. The new methodology is different to the traditional one; based on theoretic lectures, prob-lem resolution and practices sessions. The new methodology consists on creation of projects, which contain mechanisms and their analysis. To design the mecha-nism it is used a CAD software to model and simulate mechanical assemblies. In this way, the student solves real problems at the same time that learns a software widespread used in the industry. Then they compare the analytical solution with the results from the virtual simulation. After that, the mechanism can be used to

2 E. López-Alba et all

study several scenarios as its kinematic behavior, to clarify the concept of poten-tial and kinetic energy and the conversion between both, and to reproduce a virtual test. Therefore, the students work with the concepts learned in different modules of the degree as Mechanics of Machines, Design of Machines, Mechanism Analy-sis, etc.

We select a topic for the student projects; the design of an impact machine.

This problem is solved analytically, determining the structure and the components to assembly it, as the screws, bearings, gears to operate under a specific test condi-tion established. After that, virtual simulations of impact test are processed, and the energy absorption using different materials is studied.

The computer aided software employed is Solidworks, a well-known package used in project design [4]. Its different modules allow to assembly the parts of a mechanism, simulate its movement, determine the position, the velocity and ac-celeration of the indenter during a low velocity test etc. Previous simulation is compared with the analytical results acquired in theoretical lectures.

The proposed teaching methodology, based on real projects, engages students’ interest, because they have to solve multidisciplinary engineering problems [5] as in real world situations [6]. Another advantage is the improvement of the compe-tences of the student, the self-learning [7] [8] and the skill to take decisions are experimented using virtual CAD software. Finally, virtual tests decrease the cost of laboratory experiences.

This paper explains in detail the methodology proposed, showing the results of some mechanism designed and analyzed for our students. In the last part the con-clusion are drawn.

2 Methodology developed

The acquisition of knowledge by the student during the degree are structured in different modules, same time unlink due to the distribution in different years. Therefore the student can scope each module without connection between them. To get a global vision of the degree, the learning though project can be a useful meth-odology because to work over a project is necessary to use the knowledge learned in different modulus involved in a mechanical intensification as for example, De-sign of Machines, Kinematic and Dynamic of Machines, Mechanical Technology, Mechanical, Metrology, Manufacturing Technology, Advance Method of Manufac-turing, Advance Methods of Mechanical Design.

The proposed methodology helps students to deal with a complex interdiscipli-nary problem, an impact machine design. Each design phase involves knowledge and skills of several engineering fields.

3

The methodology consist on two parts. Firstly, students have to design, simu-late, analyze and choose an adequate mechanical solution to impact (with different energy) a testing sample. To do that, specimens of several size and material can be tested. The results of this step are portrayed in this work.

Secondly, the best solution will be manufactured, and the experimental tests per-formed with it will be compared with the aforementioned virtual test providing a deeply understanding in concepts as potential energy, kinetic energy, conversion between both, absorption of energy after an impact test, and the phenomenon of impact on materials with a revolution solid. This stage will be performed the fol-lowing academic course.

Main objectives of the methodology:

• Improve the learning process and students’ motivation. The student will participate in all stages of a design project: idea, analytical formulation, design with a CAD software, Finite Element Analysis of the mechanism, manufacturing of the mechanism, fine tuning of the mechanism, and fi-nally experimental testing to assimilate different concepts.

• Know a CAD software widespread used in the industry. It can motivate students to use more complex software.

• Get experience analyzing results. This will give a practical focus of the work that an engineer performs in his professional life.

• Motivate the self-learning, and help to understand abstract concepts learned during the degree but applied to real problems.

• Validate theoretical models and extend it to other disciplines, analyzing

real project with interconnection with other degrees as electronic engi-neering, electrical engineering, civil engineering, etc.

3 Results

As result of the first stage of the implementation of the methodology scoping the virtual mechanism design were selected two of them. The first one is a drop mass impact machine (Figure 1). Focusing in a future test of materials used in engineer-ing, the versatility of the size of the specimen to be impacted was taken into ac-count. It was designed a group of plates that are screwed on the main base of the machine and it can be changed to adjust the dimension of the specimen (Figure 2). At the same time the indenter is an element very important in impact tests. To im-


pact with different indenters an interchange component was designed. The peak part of the component can be moved and screwed a different geometry as indenter (Figure 3).

Figure 1: Drop impact mechanisms.

Figure 2: Plates to fix the specimen of different sizes.

Figure 3: Indenter with interchangeable peak part.

5

Other details to consider is the application of the load, this must be applied nor-mal to the surface to be impacted. To achieve the perpendicularity four guides were introduced to avoid misalignment of the indenter (Figure 4). The structure itself and the union element were dimensioned first analytically and designed to tolerate impact load resulting of different potential energy. The energy is adjusted moving up a determined high the indenter. The mechanism is prepared to incorporate an engine and to elevate the mass automatically (Figure 5)

Figure 4: Detail of the indenter guides. Figure 5: Mechanism to elevate the mass of the indenter.

The second mechanism shown is a modification of the Charpy test machine

(Figure 6). The mechanism is designed virtually to applied impact loads with dif-ferent potential energies. Different sizes of specimen are suitable with the configu-ration of the grips which were dimensioned previously to receive loads with the maximum potential energy applied with the presented configuration (Figure 7A). A detail of the virtual union is shown in Figure 7B, this will be very important in the impact virtual test to be made in the second stage of this work. The indenter is a revolution object, in this case a ball, which it is possible to change and choose other balls with different diameters to study de damage produce (Figure 8).


Figure 6: Mechanism to impact test

Figure 7: A) Grips of the specimen. B) Detail of the union element to the grips

Figure 8: Indenter geometry.

7

Other interesting part of the mechanism is the bearing allocated at both extreme of the shaft that turn to generate impact with different potential energy. The design uses ball bearings because the main load applied over them is radial, it was analyt-ically dimensioned [9] and the solution was introduced and compared with the CAD software. (Figure 9 A). Other mechanical elements were dimensioned as the elastic ring to block the inner and outer ring of the bearing. ( Figure 9 B)

Figure 9 A: Ball bearing used to fix the shaft.

Figure 9 B. Detail of the elastic ring used to block the inner and outer ring

4 Conclusions

In this first phase of the methodology, we have noted an increasing interest for real projects. These projects have motivated our students to improve their compe-tences using CAD software designing a virtual mechanism, and to correlate the re-sults with the analytical solution learned during their degree. Other competence improved is the team-work; in all projects there are links so the student must have interaction between them, taken group decisions.

Future work will be developed in the second phase of this methodology. The manufacturing of the machine and the realization of tests comparing the results be-tween the students will be interesting to understand de concept as kinetic energy, potential energy, conversion between them, impact load, deformation in a structure etc. Experimental tests will be performed and compared with virtual tests.

Due to the successful in the first year of the implementation of the methodology, it was received more application of students to participated in this program.


References

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Acknowledge: This work has been possible thank to a project of Teaching

Methodology Innovation of the University of Jaén Cod: PID491012 and to the student Luis Quesada and Pablo Ruíz

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MEMORIA FINAL DE PROYECTOS DE INNOVACIÓN DOCENTE ... · propone la construcción de un sistema mecánico diseñado y construido por alumnos para realizar ensayos experimentales