Proyectos Campus Científicos de Verano CAMPUS UC3M Universidad Carlos III (Madrid)

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1 Proyectos Campus Científicos de Verano 2015 CAMPUS UC3M Universidad Carlos III (Madrid) Diseño mecánico asistido por ordenador Institución/Departamento: Universidad Carlos III de Madrid. Escuela Politécnica Superior. Departamento de Ingeniería Mecánica. Área: Ingeniería mecánica. Resumen: Muchos de elementos que nos rodean y facilitan nuestra vida cotidiana, desde los componentes de un vehículo hasta los de un exprimidor de limones, surgen de una necesidad a la que un ingeniero ha dado solución. En el proceso de diseño de cualquiera de estos componentes es necesario tener en cuenta un buen número de factores que hacen que el resultado final sea óptimo desde varios puntos de vista, como el técnico, económico, ergonómico o medioambiental. Por otra parte, el notable aumento de capacidades del computador, y el vertiginoso desarrollo de los programas informáticos han conducido a un espectacular avance de esta técnica, hasta convertirse en lo que es hoy en día: una potente herramienta que permite diseñar y modelar virtualmente objetos en el ordenador como si de cuerpos reales se tratase, además de proporcionar información acerca de las propiedades geométricas y físicas del modelo. Esta técnica es, además, base para estudio virtual (o simulación) del comportamiento del modelo ante fenómenos de diversa índole (movimiento, fuerzas y presiones, transmisión de calor, comportamiento electromagnético...). En el presente proyecto se pretende acercar al participante a este proceso para que descubra qué es una tarea que afecta a todos los campos de la vida diaria y, además, hacerlo mediante el uso del ordenador que lo convierte en un procedimiento muy entretenido y altamente participativo. Para la realización de los casos prácticos se emplearán modelos mecánicos reales. Las sesiones de trabajo en las que participarán los estudiantes que se llevarán a cabo a lo largo del desarrollo del proyecto son las siguientes: 1ª sesión. En la primera parte de la primera sesión se realizará una breve introducción al diseño mecánico y se explicarán las fases del proceso completo del mismo, así como los aspectos que se deben tener en cuenta para conseguir un diseño óptimo. La segunda parte de la primera sesión se dedicará a explicar en qué consiste el Diseño Asistido por Computador (CAD) y se presentará el software Solid Edge, programa de modelado en 3D que se utilizará en las siguientes tres sesiones. Al finalizar esta sesión inicial, los estudiantes que participen en la misma serán capaces de describir el proceso de diseño para elementos cotidianos sencillos, diferenciar un diseño bueno de uno malo, proponer 1/8

2 ideas para mejorar diseños de elementos sencillos y trabajar con el software Solid Edge y conocer los entornos pieza y conjunto. 2ªsesión. La segunda sesión del proyecto será completamente práctica y su contenido incluye la explicación y puesta en marcha de las operaciones necesarias para crear y editar entidades con las operaciones básicas de Solid Edge en el entorno pieza y modelización de una pieza completa en tres dimensiones con el software Solid Edge: o o o o Operaciones básicas: Perfiles 2D Acotación y bocetos Edición y visualización 3ª sesión. La sesión del tercer día también será práctica y estará dedicada al modelado de conjuntos formados por varias piezas interrelacionadas entre sí. En primer lugar, se abordará el modelado y la visualización de conjuntos en 3D y, en segundo lugar, se tratará el tema de cómo conseguir la simulación de movimiento de los mismos. La metodología consistirá en que, simultáneamente a la explicación del profesor, el alumno debe ir practicando con el ordenador cada nuevo concepto. Se establecerán relaciones adecuadas entre piezas previamente diseñadas para conseguir conjuntos 3D con Solid Edge en el entorno conjunto. Asimismo, dotarán de movimiento a un conjunto 3D a partir del establecimiento de los movimientos relativos entre sus diferentes piezas. 4ª sesión. En esta sesión se aplicarán individualmente de forma práctica todos los conceptos explicados en las sesiones anteriores. Cada participante tomará un modelo mecánico real sencillo y a partir de él realizará su modelado 3D con el programa de CAD Solid Edge, incluyendo el movimiento relativo entre las piezas del mismo. Los alumnos podrán modelar individualmente las piezas del conjunto real que elijan partiendo de las medidas que tomen ellos mismos en la clase, ensamblar con las relaciones adecuadas las piezas diseñadas para conseguir el conjunto y dotar de movimiento al conjunto modelado. 5ª sesión. En esta última sesión de presentación de los resultados obtenidos con el desarrollo del proyecto, se hará una exposición breve de los objetivos alcanzados y conocimientos adquiridos en el transcurso del curso y los alumnos mostrarán los elementos que hayan diseñado con Solid Edge en una presentación con PowerPoint. Referencias recomendadas - S. CAPUZ y T. GÓMEZ, Alfaomega y Universidad Politécnica de Valencia, Ecodiseño - DIAZ OTERO, J: Modelado 3D con Solid Edge. Imprenta Gonmar. Narón (A Coruña) MENESES ALONSO, J; ÁLVAREZ CALDAS, C; RODRÍGUEZ FERNÁNDEZ, S: Introducción al Solid Edge. Thomson Paraninfo. Madrid /8

3 Diseño de estructuras ligeras Institución/Departamento: Universidad Carlos III. Escuela Politécnica Superior. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras. Área: Ingeniería Estructural Resumen: El objetivo del diseño de estructuras ligeras es encontrar una solución eficaz, es decir, que sea capaz de soportar una serie de cargas manteniendo su integridad estructural, pero que al mismo tiempo sea lo más eficiente posible minimizando los recursos necesarios para cumplir su función. El aligeramiento de las estructuras supone una disminución de los costes de material pero sobre todo implica un gran ahorro energético, tanto en los procesos de fabricación de la estructura como en el transporte de la misma. Estas ventajas se incrementan considerablemente cuando se trata de estructuras que forman parte de algún medio de transporte: estructuras aeronáuticas, del automóvil, navales, etc. Por estos motivos el principal campo de aplicación de estructuras ligeras está en la industria del transporte. A lo largo de las diferentes sesiones se verán diferentes problemáticas que aparecen en las estructuras ligeras que forman parte de algún tipo de vehículo. En primer lugar, estas estructuras están sometidas a cargas de tipo cuasi-estático como son las cargas gravitatorias, en la primera sesión se verá cómo afrontar el diseño de estructuras ligeras frente a este tipo de cargas. Una solución que tiene cada vez más aplicaciones para maximizar la eficiencia de estas estructuras ligeras es el empleo de materiales compuestos. En las estructuras de materiales compuestos se combinan las propiedades de varios materiales para maximizar las propiedades específicas del conjunto. Estos materiales compuestos tienen el inconveniente de necesitar métodos específicos de diseño en los que se tengan en cuenta sus particularidades como la anisotropía y la heterogeneidad. Los alumnos tendrán la oportunidad de participar activamente en el diseño, construcción y ensayo de estructuras. Para tener una visión global del funcionamiento de estas estructuras, los alumnos podrán diseñar y construir sus propias estructuras en base a los contenidos teóricos aprendidos en el curso (diseño y fabricación de vigas de madera de balsa, introducción a los programas de elementos finitos, dimensionado de una estructura, diseño preliminar de un elemento estructural con Materiales Compuestos, etc.). Estas estructuras se ensayarán en el laboratorio para comprobar la calidad del diseño y observar los puntos débiles. 1ª sesión. Tras una breve introducción teórica al estudio de vigas sometidas a flexión, los alumnos tendrán que aplicar los conocimientos adquiridos en la primera parte y tendrán la ocasión de fabricar mediante madera de balsa algún modelo de viga. Se evaluará la capacidad resistiva de las vigas fabricada: se pesarán las vigas realizadas y posteriormente serán sometidas a un ensayo de flexión en tres puntos instrumentado para medir la carga máxima que pueden soportar, de modo que se pueda calcular el ratio entre la resistencia de la viga y su peso. Finalmente, se analizarán los puntos débiles y fuertes de cada uno de los diseños. 2ª sesión. Se realizará una exposición sobre los principios físicos que hay detrás de las herramientas numéricas de simulación basadas en los elementos finitos. Se utilizará para ello el software comercial 3/8

4 Abaqus y se realizará un ejemplo de aplicación práctica en el dimensionamiento de una estructura mediante elementos finitos. En primer lugar se realizará el modelo numérico, posteriormente se llevará a cabo el proceso de simulación y, finalmente, se realizará un análisis crítico de los resultados. Por último, los alumnos deberán aplicar los conocimientos aprendidos al diseño y dimensionado de una estructura que tenga que soportar una serie de cargas. 3ª sesión. En la primera parte de la sesión habrá una introducción teórica en la que se hará una definición de material compuesto remarcando las diferencias que presentan con respecto a materiales de uso más convencional (acero y aluminio principalmente), se clasificarán de manera general los materiales compuestos y sus constituyentes y se abordará el tema de las aplicaciones ingenieriles más frecuentes y perspectivas de futuro. En la segunda parte, se efectuará una primera aproximación al diseño de estructuras con materiales compuestos mediante herramientas computacionales. Por último, en la tercera parte de la sesión se llevarán cabo ensayos de tracción uniaxial sobre probetas de material compuesto, se realizará una breve introducción a los métodos de inspección de materiales compuestos por técnicas de ultrasonidos y se llevará a cabo una prueba sobre una probeta previamente dañada en un equipo de inspección por ultrasonidos C-Scan. 4ª sesión. En la primera parte de la sesión se ilustrará a los participantes con ejemplos prácticos y vídeos sobre la importancia de las protecciones frente impacto y se mostrará en qué consiste su diseño. También se expondrán los diferentes tipos de impacto que pueden sufrir las estructuras en función de diferentes variables del problema, como pueden ser las características del proyectil, la velocidad de impacto y las propiedades del material impactado. Además, se enumerarán las distintas metodologías de análisis existentes. En la segunda parte se describirán con más detalle las metodologías de análisis de protecciones frente a impacto, tales como cálculos analíticos, estudios experimentales, y simulaciones por ordenador. Asimismo, se plantearán las ecuaciones más importantes que entran en juego en estos procedimientos. Por último se llevarán a cabo ensayos de impacto balístico mediante cañón de gas (altas velocidades) y en torre de caída (bajas velocidades), observando de manera cuantitativa cómo influyen el tipo de proyectil y la velocidad de impacto en el daño ocasionado por éste en la placa en la que se va a impactar. 5ª sesión. En la sesión de presentación de resultados se expondrán los conocimientos que han debido adquirir los alumnos y una visión global de los conocimientos impartidos. Utilizarán presentaciones PowerPoint y muestras de las estructuras realizadas. Referencias recomendadas - Estructuras o por qué las cosas no se caen. John E. Gordon. Calamar Ediciones, Razón y ser de los tipos estructurales. Eduardo Torroja. Ed. CSIC, Resistencia de materiales. Luis Ortiz Berrocal. McGraw-Hill. Madrid, /8

5 Diseño y construcción de micro-robots Institución/Departamento: Universidad Carlos III. Escuela Politécnica Superior. Departamentos de Electrónica, Automática e Informática. Área: Robótica Resumen: Uno de los campos de investigación puntero en robótica en la actualidad lo constituyen los micro-robots. Este nombre comienza a acuñarse en la década de los noventa y define a ingenios automáticos de pequeño tamaño, diseñados para realizar una tarea repetitiva y que en el mismo entorno de trabajo son capaces de colaborar entre ellos para llevar a cabo una tarea global. El desarrollo actual de la tecnología ha propiciado la posibilidad de creación de componentes cada vez más pequeños y con una precisión mayor, es el caso de los sensores, controladores, motores o baterías que permiten crear micro-robots que son capaces de realizar tareas complejas en entornos de reducido tamaño. La microrobótica puede emplearse a un amplio abanico de aplicaciones: dentro de la biotecnología se pueden mencionar aplicaciones como el reconocimiento y localización de células con unas determinadas características, microinyecciones para el tratamiento de células infectadas, etc. Esta rama de la robótica trata sobre el estudio de pequeñas plataformas móviles diseñadas para trabajar en entornos de dimensiones reducidas. Los avances tecnológicos sufridos en los últimos años en el campo de la microelectrónica, el diseño de minimotores y minisensores, han hecho posible el desarrollo actual de estos micro-robots. El microensamblado de componentes es otra de las áreas en las que se emplean este tipo de dispositivos, así como en tareas de mantenimiento industrial y por supuesto en el campo del entretenimiento, dentro de este último deben ser destacadas las competiciones de fútbol, sumo y velocidad. El objetivo principal del proyecto es introducirse en los aspectos principales relacionados con el diseño y construcción de micro-robots, desarrollando en el curso un micro-robot que pueda seguir una línea en el suelo o moverse en un entorno sin chocar con obstáculos. Se trata de un curso de contenido eminentemente práctico, para iniciar a los alumnos en la construcción y programación de micro-robots autónomos. En cuanto a los aspectos de su construcción, los alumnos deberán ensamblar todas las piezas que componen el micro-robot que van a utilizar, así como realizar las conexiones de todos los sistemas electrónicos del mismo. Esto permitirá a los alumnos familiarizarse con los aspectos mecánicos del micro-robot, y con los sistemas sensoriales y de locomoción con los que cuentan. A partir de este punto, los alumnos comenzarán a desarrollar programas de control de los sensores y motores, y finalmente dotarán al micro-robot de comportamientos sencillos que utilizarán la información que proporcionan los sensores embarcados. De esta forma, los alumnos se familiarizarán con las técnicas de programación, imprescindibles en el actual panorama profesional de los ingenieros. Asimismo, comenzarán a desarrollar habilidades de gran valor, como la resolución de problemas mediante algoritmos de programación. Todo ello se realizará a lo largo de las cinco sesiones que componen este curso: 1ª sesión. Los alumnos aprenderán a valorar y diseñar la mecánica de un micro-robot en función de las tareas para las que se construya. Diseñarán la estructura mecánica y harán la elección de los motores - 5/8

6 factores decisivos en el proceso de construcción de un micro-robot-. Se introducirán elementos de valoración como la velocidad, par, inercias, frenos, modo de control, etc. para poder escoger de una manera correcta el modelo cinemático, el sistema de locomoción, los motores, ruedas, transmisiones, etc. Por último, la estructura mecánica dará la forma al micro-robot, su diseño será importante en la medida que muchas cualidades del mismo dependerán de cómo se realice ésta. Interesa que sea resistente y fácilmente desmontable, ya que uno de los aspectos más valorados es la facilidad de acceso a elementos como baterías, tarjetas de control, sensores, etc. 2ª sesión. Habrá un acercamiento de conceptos básicos del sistema sensorial y de tracción del micro-robot para posteriormente tratar los entornos de programación como herramienta para la lectura de la información proporcionada por los sensores y control de los motores vistos en el apartado anterior. Al finalizar la sesión el alumno será capaz de entender la información que suministran los sensores del microrobot, así como las órdenes que debe proporcionar para controlar los motores. Todo ello, dentro de un entorno de programación software. 3ª sesión. Se hará una presentación a los conceptos básicos de un sistema digital basado en microcontrolador, analizando los recursos internos disponibles por el programador para controlar los sensores y los motores. A continuación se desarrollará un programa que implemente una función básica de control del micro-robot típica de los concursos de micro-robótica, como es un comportamiento sigue-líneas. 4ª sesión. La primera parte de la sesión estará dedicada a la introducción de conceptos básicos como Inteligencia Artificial, Paradigmas Robóticos y Arquitecturas de Control. De igual forma, se hará un resumen de la evolución de la robótica desde los telemanipuladores y las tortugas de Grey, hasta lo que hoy en día se conoce como robótica inteligente. La parte práctica de la sesión será dedicada a la introducción de los entornos simulados como herramienta para el desarrollo de micro-robots inteligentes. Se utilizará el simulador Webots y un lenguaje de programación para permitir al alumno desarrollar/modificar pequeños programas de control para microrobots inspirados en modelos cognitivos simples. 5ª sesión. Los alumnos utilizarán una presentación PowerPoint, en la que insertarán los videos en los que muestran la construcción del micro-robot así como los comportamientos conseguidos. Referencias recomendadas - Microrobótica. Tecnología, aplicaciones y montaje práctico. JOSÉ MARÍA ANGULO USATEGUI; IGNACIO ANGULO MARTÍNEZ; SUSANA ROMERO YESA. Paraninfo Autonomous LEGO Robot Design Competition. Massachuset Institute of Technology (MIT), Embedded Microcontrollers. T.D. Morton. Prentice-Hall, Introduction to AI robotics. Murphy, Robin. MIT Press /8

7 Seguridad en redes e Internet Institución/Departamento: Universidad Carlos III. Escuela Politécnica Superior. Departamento de Informática. Área: Tecnologías de la Información Resumen: Durante el curso se pasará revista a algunos temas candentes de la seguridad informática, que tan importantes son hoy en día para todos los que nos conectamos asiduamente a Internet, así como para las empresas y organismos que cada vez en mayor número dependen críticamente de sus redes de ordenadores e Internet. Además, las alarmantes previsiones en cuanto a las nuevas amenazas planteadas por el ciberterrorismo y la ciberguerra añaden importancia a los aspectos de seguridad de nuestras redes y equipos informáticos. La seguridad de los ordenadores y redes es un campo científico-legal de gran importancia actual y más aún en el futuro inmediato, cuya investigación combina facetas técnicas (es el caso de la búsqueda de pruebas, de estudio de programas malignos, etc.) con otras más propias de la ciencia (como ocurre con la criptografía, de fuerte componente matemático). Por tanto, se trata de que los participantes adquieran interés y conozcan ciertas metodologías investigadores de ambas disciplinas, a la vez que conocen algunos desarrollos en la materia de la seguridad. Para ello, durante las sesiones se presentarán los fundamentos teóricos de los aspectos a tratar, para pasar después a su aplicación práctica. Los temas que se tratarán a lo largo de las sesiones del proyecto son los siguientes: 1ª sesión. Se explicarán los conceptos fundamentales de criptografía y una vez sentadas las bases teóricas, se introducirán los distintos cifradores que se han ido desarrollando a lo largo de la historia, junto con la utilización práctica de los mismos. Finalmente, se aplicarán los conocimientos adquiridos en la primera parte de la sesión mediante una gymkana, por equipos, en la que los alumnos van resolviendo diferentes retos criptográficos de forma dinámica. 2ª sesión. La primera parte de la sesión, versará sobre los mecanismos existentes para asegurar las comunicaciones a través de internet. En primer lugar se expondrán, de forma teórica, las bases de la comunicación a través de Internet y los distintos mecanismos que existen para proteger la confidencialidad de las mismas. La segunda parte de la sesión se puede dividir en tres secciones: enumeración y descripción de los principales mecanismos para proteger las conexiones inalámbricas, comprobación de los distintos mecanismos explicados a través de la interceptación del tráfico y, finalmente, análisis de la seguridad de las redes protegidas mediante WEP por medio de la realización un ataque práctico sobre una red creada para tal efecto. La última parte de la sesión se basará en la gestión de contraseñas. Una vez comprendidos los conceptos teóricos que serán impartidos inicialmente, se analizarán, de forma práctica, los diferentes mecanismos existentes para la recuperación de las contraseñas y cómo evitar su uso por parte de atacantes. 7/8

8 3ª sesión. Se presentarán los conceptos de amenaza, vulnerabilidad y ataque y se explicarán las distintas clasificaciones de programas malignos existentes, como troyanos, virus, puertas traseras, etc. Con el fin de, a continuación, realizar ejemplos de aprovechamiento de vulnerabilidades mediante programas malignos desarrollados específicamente para esta labor. Se analizarán las causas e impacto de usar estos programas y se presentarán buenas prácticas para tratar de evitar que un usuario se infecte con alguno de ellos. Por último, en esta sesión se hará una introducción a la informática forense y las evidencias digitales. Se presentarán algunos casos llamativos de delitos en los que se han visto involucradas las tecnologías de la información, analizando cómo el análisis forense ayuda a la resolución de estos casos. 4ª sesión. Se abordarán los conceptos fundamentales sobre identidad digital y anonimato, así como los problemas derivados de su gestión. Se hará especial hincapié en el impacto que tiene el uso de las tecnologías de la información sobre la privacidad. En concreto, se abordará dicho tema desde una perspectiva basada en las redes sociales, los riesgos que conlleva la utilización de las mismas y la importancia de seguir un modelo basado en la privacidad responsable, para lo cual se expondrán casos reales de extorsión y/o chantaje. Los participantes también podrán comprobar cómo se realizan ataques de suplantación de identidad en redes sociales haciendo uso de una plataforma docente elaborada para este fin y cómo el uso del DNI-E ofrece garantías a la hora de autenticar a los usuarios frente a entidades telemáticas, así como a la hora de firmar documentos electrónicamente. 5ª sesión. En esta última sesión en la que se realizarán la presentación pública de resultados, con ayuda los equipos informáticos oportunos y de medios audiovisuales, si procede, cada alumno presentará a sus compañeros y a los profesores los resultados del trabajo propuesto. Referencias recomendadas - The Code Book: The Secret History of Codes and Code-breaking, Simon Singh, Fourth State - Intypedia Information Security Encyclopedia, Criptored, 8/8

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