TFG_Jucheng_Lin

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TRABAJO FIN DE GRADO
Grado en ingeniería mecánica
DESARROLLO DE GEMELOS DIGITALES DE
ESTRUCTURAS ELÁSTICAS LINEALES SENCILLAS
Memoria y Anexos
Autor: Jucheng Lin
Director: Daniel Di Capua
Curso académico 2022-01
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RESUMEN
Las nuevas tecnologías, la digitalización y la transformación digital han transformado la forma en
que vivimos. Los gemelos digitales son uno de los elementos clave de la Industria 4.0, una era en
la que se utiliza la tecnología de la información para impulsar la transformación industrial y la
inteligencia. La principal ventaja de los gemelos digitales es que permiten obtener los mismos
resultados que los prototipos reales sin incurrir en costosos gastos, al replicarlos
informáticamente.
En el presente proyecto se propone una metodología para la creación de un gemelo digital de
una estructura elástica lineal sencilla.
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ABSTRACT
New technologies, digitization and digital transformation have transformed the way we live.
Digital twins are one of the key elements of Industry 4.0, an era in which information technology
is used to drive industrial transformation and intelligence. The main advantage of digital twins is
that they allow obtaining the same results as real prototypes without incurring expensive
expenses, by replicating them on a computer.
In the present project a methodology is proposed for the creation of a digital twin of a simple
linear elastic structure.
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AGRADECIMIENTOS
Con este escrito concluyo años de estudio intenso y crecimiento personal en el Grado en
Ingeniería Mecánica. Quiero agradecer a mis amigos por haber estado siempre a mi lado y por
haberme apoyado en todo momento. También quiero agradecer a los profesores que han
contribuido a mi formación y al desarrollo de mis habilidades.
Quiero expresar mi agradecimiento especial a mi tutor, Daniel Di Capua, por haberme
introducido en el fascinante mundo de la Industria 4.0, por haberme ayudado a resolver dudas y
problemas, y sobre todo, por haber confiado en mí.
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GLOSARIO
Abreviaciones
 DTA: Digital Twin Aggregate.
 DTO: Fecha Transformer Object.
 DTI: Digital Twin Instance.
 DTP: Digital Twin Prototype.
 EEBE: Escuela de Ingeniería de Barcelona Este.
 GLTF: GL Transmission Format.
 IA: Inteligencia Artificial.
 IIoT: Industrial Internet of Things.
 IoT: Internet of Things.
 ISO: International Organization for Standardization.
 Key: Key Enabling Technologies.
 MEF: Método de elementos Finitos.
 MQTT: Message Queuing Telemetry Transport.
 NASA: National Aeronautics and Space Administration.
 TFG: Trabajo de Fin de Grado.
Lista de símbolos
Símbolo Significa Unidad
F Fuerza N
S Superficie m^2
σ Tensión normal Pa
τ Tensión tangencial Pa
E Módulo de Young Pa
ϵ Deformación elástica lineal
Adimensional
-
ν Coeficiente de Poisson
Adimensional
-
M Momento Nm
γ Peso específico KN/(m^3)
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íNDICE
TRABAJO FIN DE GRADO.....................................................................................................................1
RESUMEN ............................................................................................................................................ 5
ABSTRACT ............................................................................................................................................6
AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................................ 7
GLOSARIO ............................................................................................................................................8
1. INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................10
1.1 Objetivo ...............................................................................................................................10
2. MARCO TEÓRICO .......................................................................................................................... 11
2.1 La resistencia de materiales ............................................................................................... 11
2.2 Sólido deformable（sólido elástico） ............................................................................... 14
2.3 Concepto de tensión ...........................................................................................................16
2.4 Concepto de deformación .................................................................................................. 17
2.5 Vigas con diferentes tipos de cargas y apoyos ................................................................... 20
2.6 Caso de estudio ...................................................................................................................26
2.7 El equilibrio estático ........................................................................................................... 27
2.8 Principios de la resistencia de materiales .......................................................................... 28
2.9 Elementos finitos ................................................................................................................ 30
2.10 Industria 4.0 ......................................................................................................................33
2.11 Digital Twins ......................................................................................................................37
3. BLENDER ........................................................................................................................................47
3.1 Introducción a Blender ....................................................................................................... 47
3.2 Suzanne, la "mascota" mono de Blender ...........................................................................47
3.3 Las ventajas de Blender ...................................................................................................... 48
3.4 Las desventajas de Blender ................................................................................................ 50
3.5 Trabajo realizado .................................................................................................................51
4. GiD .................................................................................................................................................70
4.1 Introducción GiD .................................................................................................................70
4.2 Ram Series .......................................................................................................................... 70
4.3 Trabajo realizado .................................................................................................................71
5. JAVASCRIPT ....................................................................................................................................74
6. LA PLATAFORMA OSI4IOT ............................................................................................................. 75
6.1 FIBRE4YARDS .......................................................................................................................76
6.2 MQTT .................................................................................................................................. 76
6.3 Node-RED ............................................................................................................................79
6.4 El digitaltwin ...................................................................................................................... 80
CONCLUSIÓN.....................................................................................................................................82
ASPECTOS DE ECONÓMICOS ............................................................................................................ 83
BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................................85
ANEXO A ............................................................................................................................................88
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1. INTRODUCCIÓN
Los Gemelos Digitales son una tecnología disruptiva en la simulación y análisis de procesos
industriales. Fueron propuestos por el Departamento de Defensa de EE. UU. para el
mantenimiento y garantía de vehículos aeroespaciales. Se construye un modelo en el espacio
digital a través de sensores para sincronizarlo con el estado real del vehículo. Después de cada
vuelo, se analizan las condiciones y cargas pasadas para evaluar si se requiere mantenimiento o si
puede soportar la carga de la próxima misión. En el futuro, todos los productos industriales
podrán tener un gemelo digital para revisar completamente su diseño, trayectorias digitales de
fabricación y operaciones. Esta tecnología representa la fusión del mundo físico y virtual.
En este documento se expone el proceso seguido para la realización del gemelo digital de una
estructura elástica lineal sencilla.
Palabras clave: Gemelos Digitales.
1.1 Objetivo
El objetivo principal de este estudio es desarrollar un gemelo digital para analizar el
comportamiento de estructuras elásticas lineales, permitiendo realizar un número ilimitado de
ensayos.
Los objetivos establecidos son:
Objetivo 1: Crear un gemelo digital de la estructura y animarlo con Blender.
Objetivo 2: Simular los esfuerzos sometidos mediante el programa de elementos finitos
Ramseries.
Objetivo 3: Administrar la información utilizando JavaScript.
Objetivo 4: Integrar el gemelo digital con la plataforma OSI4IOT para crear una simulación
completa del proceso real.
Palabras clave: Gemelo Digitale; Blender; Ramseries; JavaScript; IOT; OSI4IOT.
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2. MARCO TEÓRICO
Para comprender la tecnología de gemelos digitales es esencial tener un conocimiento previo de
la teoría necesaria en esta área.
2.1 La resistencia de materiales
La resistencia de materiales se refiere a una disciplina de la ingeniería que se dedica al estudio de
la respuesta de los materiales a las cargas aplicadas.
La resistencia de materiales también se dedica a estudiar experimentalmente el comportamiento
mecánico de los materiales, determinando sus propiedades mecánicas, con el fin de obtener su
resistencia mecánica, como el límite elástico, la resistencia a la tracción y compresión, la
resistencia a la flexión etc.
Palabras clave: La resistencia de materiales; El límite elástico.
2.1.1 El límite elástico
El límite elástico es una medida de la resistencia de un material a la deformación elástica cuando
se somete a una carga. Se define como la máxima tensión que puede soportar un material sin
que se produzca deformación permanente. Por tanto, el límite elástico es el punto hasta el que
un material puede recuperar su forma original cuando se le quita la carga.
Palabras clave: El límite elástico.
Figura 2.1.1 Curvas de tensión-deformación
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2.1.2 El límite de fluencia
El límite de fluencia se refiere a la resistencia de un material a la deformación permanente bajo
carga. Es la máxima tensión o compresión que un material puede soportar antes de que se
produzca deformación permanente.
Palabras clave: El límite de fluencia.
2.1.3 La resistencia a la tracción
La resistencia a la tracción es una medida de la capacidad de un material para soportar cargas
que tienden a estirarlo o a alargarlo. Se determina mediante ensayos de tracción, aplicando una
tensión creciente hasta que se produce la fractura del material. Se mide como la máxima tensión
que el material puede soportar antes de romperse. Los cables de acero, por ejemplo, se utilizan
para soportar cargas que ejercen una tensión en ellos y deben tener una alta resistencia a la
tracción para evitar su rotura.
Palabras clave: La resistencia a la tracción.
2.1.4 La resistencia a la compresión
La resistencia a la compresión es una medida de la capacidad de un material para soportar cargas
que tienden a comprimirlo o acortarlo. Se determina mediante ensayos de compresión en los
que se aplica una fuerza progresivamente creciente hasta que se produce la fractura. La máxima
compresión que el material puede soportar antes de romperse se conoce como resistencia a la
compresión. Por ejemplo, en un edificio, los pilares deben soportar cargas que ejercen una
Figura 2.1.3 Esfuerzos de traccion
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compresión en ellos, y se espera que sean capaces de soportar cargas muy altas antes de
colapsar.
Palabras clave: La resistencia a la compresión.
2.1.5 La resistencia a la flexión
La resistencia a la flexión se refiere a la capacidad de un material para soportar cargas que
provocan su curvatura o flexión. Esta propiedad se determina mediante ensayos de flexión, que
someten una muestra de material a una carga que genera un momento de flexión. La resistencia
a la flexión se mide como la carga máxima que el material puede soportar antes de deformarse
permanentemente o fracturarse. Por ejemplo, las vigas de un edificio deben resistir cargas que
generan momentos de flexión, y se espera que soporten cargas elevadas antes de sufrir
deformaciones permanentes o fracturarse.
Palabras clave: La resistencia a la flexión.
Figura 2.1.4 Esfuerzos de compresión
Figura 2.1.5 Esfuerzos de flexión
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2.1.6 La resistencia a la cortadura
La resistencia a la cortadura se refiere a la capacidad de un material para resistir esfuerzos de
cortadura, los cuales pueden ser comunes en muchas estructuras y componentes. Esta propiedad
se mide mediante ensayos de cortadura en los que se aplica una tensión progresivamente
creciente hasta que se produce la fractura. La resistencia a la cortadura se expresa como la
máxima tensión que el material puede soportar antes de romperse. Algunos materiales con alta
resistencia a la cortadura son los metales, maderas y materiales compuestos.
Palabras clave: La resistencia a la cortadura.
2.2 Sólido deformable（sólido elástico）
Un sólido deformable es un material que puede deformarse bajo carga, pero que vuelve a su
forma original cuando se le quita la carga. Los sólidos deformables se dividen en dos categorías:
elásticos y plásticos.
Las hipótesis básicas para sólidos deformables son un conjunto de principios que se utilizan para
simplificar el análisis de cómo se deforman los materiales bajo carga. Estas hipótesis se basan en
la observación empírica y se han demostrado ser válidos en una amplia variedad de materiales y
condiciones. Las hipótesis básicas para sólidos deformables incluyen: hipótesis de continuidad,
hipótesis de homogeneidad y hipótesis de isotropía.
Figura 2.1.6 Esfuerzos de cortadura
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Palabras clave: Sólido deformable; Elásticos; Plásticos; Hipótesis de continuidad; Hipótesis de
homogeneidad; Hipótesis de isotropía.
2.2.1 El sólido elástico
Los sólidos elásticos son materiales que pueden deformarse bajo carga, pero recuperan su forma
original al retirar la carga. Tienen un límite elástico, que es la máxima tensión o compresión que
pueden soportar sin sufrir deformación permanente. Ejemplos de materiales elásticos son el
acero, el aluminio y la goma.
Palabras clave: Sólidos elásticos; Límite elástico.
2.2.2 El sólido plásticoLos materiales plásticos son aquellos que se deforman de manera permanente cuando se
someten a una carga y no recuperan su forma original después de retirar la carga. El límite de
fluencia es la tensión o compresión a partir de la cual se produce la deformación permanente en
el material. Algunos ejemplos de materiales plásticos son el plomo, el cobre y el aluminio.
Palabras clave: Sólidos plásticos; Límite fluencia.
2.2.3 Hipótesis de continuidad
Se asume que el sólido está lleno de materia sin vacíos, aunque existen espacios entre sus
partículas que son despreciables en tamaño. Esta hipótesis de continuidad permite considerar al
sólido como continuo en todo su volumen y expresar ciertas cantidades mecánicas, como el
Figura 2.2 Sólido deformable
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desplazamiento de un punto, a través de funciones continuas.
Palabras clave: Hipótesis de continuidad.
2.2.4 Hipótesis de homogeneidad
La hipótesis de homogeneidad implica que las propiedades mecánicas de un material son
uniformes en todo el sólido, incluso si se quita una parte del mismo. Esta hipótesis se basa en la
idea de que el sólido está compuesto por el mismo material homogéneo en todo su volumen,
aunque a nivel microscópico haya espacios entre las partículas y las propiedades de cada
partícula no sean completamente consistentes. Dado que estos vacíos son mucho más pequeños
que el tamaño del componente, y las partículas están dispuestas de manera compleja en todo el
volumen, las diferencias en las propiedades de cada partícula se pueden ignorar y el sólido se
considera uniforme y continuo desde un punto de vista macroscópico.
Palabras clave: Hipótesis de continuidad.
2.2.5 Hipótesis de isotropía
Los materiales que tienen las mismas propiedades mecánicas en todas las direcciones se llaman
materiales isotrópicos. Ejemplos de estos materiales incluyen el acero, el cobre, el hierro fundido,
el vidrio, entre otros.
Palabras clave: Hipótesis de isotropía.
2.3 Concepto de tensión
La tensión es una medida de la fuerza que actúa sobre un material. Se define como el cociente
entre la fuerza aplicada y el área de la sección transversal del material sobre la que actúa la
fuerza. Matemáticamente, se puede expresar como:
Tensión (σ) = Fuerza (F) / Área (A)
La tensión se mide en unidades de presión, como pascales (Pa) o megapascales (MPa).
La tensión puede ser de tracción o de compresión.
Palabras clave: Tensión.
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2.3.1 La tensión de tracción
La tensión de tracción es una medida de la fuerza que actúa sobre un material en dirección a su
alargación.
La tensión de tracción se mide como la máxima tensión que soporta el material antes de
romperse.
Palabras clave: Tensión de tracción.
2.3.2 La tensión de compresión
La tensión de compresión es una medida de la fuerza que actúa sobre un material en dirección a
su acortamiento.
La tensión de compresión se mide como la máxima tensión que soporta el material antes de
romperse.
Palabras clave: Tensión de compresión.
2.4 Concepto de deformación
La deformación es el cambio en la forma o tamaño de un material debido a una carga o esfuerzo
externo. Puede ser elástica, en la que el material vuelve a su forma original después de retirar la
carga, o plástica, en la que el material mantiene una deformación permanente. La deformación
es importante para evaluar la resistencia de los materiales y diseñar estructuras y componentes
capaces de soportar cargas sin fracturarse o deformarse de manera permanente.
Figura 2.4 Ejemplo de curva tensión-deformación para un
esfuerzo uniaxial de tracción
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Palabras clave: Deformación elástica; Deformación plástica.
2.4.1 La deformación elástica
La deformación elástica se refiere a un cambio reversible en la forma o tamaño de un material
cuando se le somete a una carga dentro de su límite elástico. Este límite es la máxima tensión o
compresión que el material puede soportar sin producir una deformación permanente. La
magnitud de la deformación elástica es proporcional a la carga y se puede calcular utilizando la
ley de Hooke.
Palabras clave: Deformación elástica.
2.4.1.1 La ley de Hooke
La ley de Hooke es un principio fundamental de la resistencia de materiales que establece que la
deformación elástica de un material es proporcional a la carga aplicada. Matemáticamente, se
puede expresar como:
Deformación elástica = (Tensión / Módulo de Young) x (Longitud inicial / Longitud final)
Donde la deformación elástica es la deformación reversible del material, la tensión es la fuerza
aplicada por unidad de área (en pascales, Pa), el módulo de Young es una medida de la rigidez del
material (en Pa) y la longitud inicial y final son las longitudes del material antes y después de la
carga, respectivamente.
La ley de Hooke es válida para una amplia variedad de materiales y condiciones, pero hay ciertos
materiales y condiciones en los que no es completamente válida. Por ejemplo, algunos materiales
tienen propiedades mecánicas que cambian con la temperatura, lo que significa que no cumplen
con la hipótesis de linealidad de la ley de Hooke.
Palabras clave: Deformación elástica; La ley de Hooke; El módulo de Young.
2.4.1.2 El módulo de Young
El módulo de Young es una medida de la rigidez o la elasticidad de un material. Se define como la
relación entre la tensión y la deformación elástica en un material linealmente elástico.
Matemáticamente, se puede expresar como:
Módulo de Young (E) = Tensión (σ) / Deformación elástica (ε)
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El módulo de Young es una propiedad importante de los materiales que se mide en pascales (Pa).
Determina el grado de deformación que sufrirá un material cuando se somete a una carga. Los
materiales con un módulo de Young alto son más rígidos y menos deformables que los materiales
con un módulo de Young bajo.
Palabras clave: El módulo de Young.
2.4.2 La deformación plástica
La deformación plástica es una alteración permanente en la forma o tamaño de un material como
resultado de la aplicación de una carga. En contraste con la deformación elástica, la deformación
plástica no se puede recuperar una vez que se retira la carga. La cantidad de deformación plástica
depende de la resistencia y ductilidad del material, y no es proporcional a la carga aplicada.
Palabras clave: Deformación plástica.
Figura 2.4.1.2 Diagrama tensión - deformación
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2.5 Vigas con diferentes tipos de cargas y apoyos
Cada elemento de una estructura puede soportar esfuerzos(cargas) diferentes, que pueden ser
de tracción, compresión, flexión, cortadura(cizalla) y torsión.
2.5.1 Tipos de cargas
2.5.1.1 El esfuerzo de tracción
Un esfuerzo de tracción es una fuerza que actúa en dirección a la alargación de un material. Se
mide en unidades de tensión, como pascales (Pa) o megapascales (MPa).
Por ejemplo, los cables de acero se someten a esfuerzos de tracción cuando soportan cargas que
ejercen tensión en ellos.
Palabras clave: Esfuerzo de tracción.
2.5.1.2 El esfuerzo de compresión
Un esfuerzo de compresión es una fuerza que actúa en dirección a la acortamiento de un
material. Se mide en unidades de tensión, como pascales (Pa) o megapascales (MPa).
Por ejemplo, los pilares de un edificio se someten a esfuerzos de compresión cuando soportan
cargas que ejercen tensión en ellos.
Figura 2.5.1.1 Esfuerzo de tracción
Figura 2.5.1.2 Esfuerzo de compresión
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Palabras clave: Esfuerzo de compresión.
2.5.1.3 El esfuerzo de flexión
El esfuerzo de flexión es una fuerza que actúa en dirección a la curvatura de un material. Se mide
en unidades de tensión, como pascales (Pa) o megapascales (MPa).
Por ejemplo, las vigas de un puente se someten a esfuerzos de flexión cuando soportan cargas
que ejercen tensión en ellas.
Palabras clave: Esfuerzo de flexión.
2.5.1.4 El esfuerzo de cortadura(cizalla)El esfuerzo de cortadura es una fuerza que actúa en dirección perpendicular a la superficie de un
material y que tiende a cortar o a dividir el material. Se mide en unidades de tensión, como
pascales (Pa) o megapascales (MPa).
Por ejemplo, los neumáticos de un automóvil se someten a esfuerzos de cortadura cuando el
vehículo gira en una curva.
Figura 2.5.1.3 Esfuerzo de flexión
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Palabras clave: Esfuerzo de cortadura.
2.5.1.5 El esfuerzo de torsión
El esfuerzo de torsión es un tipo de esfuerzo mecánico que actúa en un cuerpo cuando se aplican
fuerzas que intentan hacerlo girar en torno a un eje. El esfuerzo de torsión se relaciona con el
torque (momento de la fuerza) y se mide en unidades de fuerza por unidad de longitud, como el
newton por metro (N·m) o el pulgada-pie (lb·in).
Para analizar el esfuerzo de torsión en un material se utilizan ecuaciones que están basadas en las
propiedades mecánicas del material como: el módulo de elasticidad, el coeficiente de Poisson, y
la sección transversal del material.
Palabras clave: Esfuerzo de torsión.
Figura 2.5.1.4 Esfuerzo de cortadura
Figura 2.5.1.5 Esfuerzo de torsión
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2.5.1.6 Las cargas concentradas
Las cargas concentradas son cargas que se aplican en un punto específico de un objeto o
estructura. Este tipo de carga se caracteriza por tener una alta densidad de energía en un punto
específico, lo que puede causar una gran cantidad de deformación en ese punto. Un ejemplo de
carga concentrada es una carga puntual aplicada en una viga.
Las cargas concentradas pueden causar una variedad de esfuerzos mecánicos, como tracción,
compresión, flexión y torsión, dependiendo de la dirección y la posición de la carga en relación al
objeto o estructura.
Palabras clave: Cargas concentradas.
2.5.1.7 Las cargas distribuidas
Las cargas distribuidas son cargas que se aplican a una estructura o objeto de forma continua a lo
largo de una determinada extensión, en lugar de en un punto específico. Este tipo de carga se
caracteriza por tener una baja densidad de energía en un punto específico, pero debido a su
extensión, pueden causar una gran cantidad de deformación en una estructura o objeto. Por
ejemplo la nieve acumulada sobre un techo.
La manera en que las cargas distribuidas afectan a una estructura o objeto depende de la
dirección, la magnitud y la distribución de las cargas. La distribución de las cargas puede ser
uniforme, triangular o trapezoidal, y cada una de estas distribuciones tiene un efecto diferente en
la estructura o objeto.
Figura 2.5.1.6 Cargas concentradas
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Palabras clave: Cargas distribuidas.
2.5.2 Tipos de apoyos
Los apoyos son puntos de anclaje en los que una estructura o componente se fija al suelo o a otra
estructura. Los apoyos proporcionan una base para la estructura y permiten transmitir las cargas
a través de la estructura. Los diferentes tipos de apoyos tienen diferentes características y
limitaciones, y cada uno se utiliza en diferentes aplicaciones. Algunos de los tipos de apoyos
comunes incluyen:El apoyo empotrado, el apoyo libre, el apoyo fijo, el apoyo articulado y el
apoyo rodante.
Dependiendo del tipo de estructura y las cargas a las que estará sometida, se deben seleccionar
los apoyos adecuados para garantizar la estabilidad y seguridad de la estructura.
Palabras clave: Apoyo empotrado; Apoyo libre; Apoyo fijo; Apoyo articulado; Apoyo rodante.
2.5.2.1 El apoyo empotrado
Este tipo de apoyo se fija directamente al suelo o a una estructura de cimentación. El apoyo
empotrado proporciona un punto de anclaje rígido que puede resistir cargas en todas las
direcciones.
Palabras clave: Apoyo empotrado.
Figura 2.5.1.7 Cargas concentradas
Figura 2.5.2.1 Apoyo empotrado
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2.5.2.2 El apoyo libre
Este tipo de apoyo permite movimientos en todas las direcciones, proporcionando un punto de
anclaje móvil. Estos apoyos se utilizan en estructuras que necesitan resistir cargas en todas las
direcciones y permitir movimientos libres.
Palabras clave: Apoyo libre.
2.5.2.3 El apoyo fijo
Este tipo de apoyo no permite movimientos en ninguna direción y proporciona un punto de
anclaje rígido. Estos apoyos se utilizan en estructuras que requieren una gran estabilidad, como
puentes y edificios altos.
Palabras clave: Apoyo fijo.
2.5.2.4 El apoyo articulado
Este tipo de apoyo permite movimientos en una o varias direcciones, proporcionando un punto
de anclaje móvil y es utilizado en estructuras que necesitan resistir cargas en varias direcciones y
permitir movimientos limitados.
Figura 2.5.2.2 Apoyo libre
Figura 2.5.2.3 Apoyo fijo
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Palabras clave: Apoyo articulado.
2.5.2.5 El apoyo rodante
Este tipo de apoyo se caracteriza por tener una capacidad de movimiento similar a un rodillo
permitiendo un movimiento relativo al suelo específico, se utilizan para estructuras que
necesitan un gran grado de movimiento para adaptarse a cambios en el terreno o cargas
variables.
Palabras clave: Apoyo rodante.
2.6 Caso de estudio
Después de describir los diferentes tipos de cargas y apoyos que pueden aplicarse a una viga, es
pertinente explicar el caso que se va a estudiar.
Antes de continuar, es importante mencionar que la explicación que se presenta a continuación
simplifica significativamente el caso de estudio al mostrarlo en dos dimensiones, mientras que en
la realidad se trata de una estructura completa en tres dimensiones.
Sería conveniente explicar el caso de forma simplificada en dos dimensiones para facilitar la
comprensión del caso completo.
La estructura a analizaría la siguiente:
Figura 2.5.2.4 Apoyo articulado
Figura 2.5.2.5 Apoyo rodante
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La figura 2.6 muestra una viga con dos apoyos, uno empotrado y otro móvil, y una carga
concentrada debido al peso suspendido de la viga. El análisis consiste en determinar si la viga
puede soportar el peso suspendido sin romperse. El objetivo de este trabajo es utilizar los
sistemas previamente mencionados para detectar si se alcanza el límite máximo de la viga y
enviar una alerta al usuario. La fórmula para el cálculo de este tipo de viga se encuentra en el
Anexo A.
Palabras clave: Apoyo empotrado; Apoyo móvil; Apoyo articulado; Carga concentrada.
2.7 El equilibrio estático
El equilibrio estático es una condición en la cual un objeto o estructura no experimenta cambios
en su posición o movimiento debido a las fuerzas externas que actúan sobre él. Un objeto o
estructura se encuentra en equilibrio estático cuando la suma de las fuerzas netas que actúan
sobre él es cero.
El equilibrio estático se puede analizar mediante el uso de las leyes de Newton de la mecánica,
que establecen que un objeto en reposo permanecerá en reposo y un objeto en movimiento
permanecerá en movimiento con velocidad constante, a menos que actúen sobre él fuerzas
netas.
Para analizar el equilibrio estático de una estructura se aplican los principios de la mecánica
vectorial, en donde se estudian las direcciones y magnitudes de las cargas y los apoyos, para
determinar si la estructura está en equilibrio o no.
F�� = 0�
M��� = 0�
Palabras clave: Equilibrio estático ; Leyes de Newton.
Figura 2.6 Caso de estudio
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2.8 Principios de la resistencia de materiales
La Resistencia de Materiales es una disciplina que se basa en varios principios o hipótesis
fundamentales, y aunque el Principio de rigidez, el Principio de superposición y el Principio de
Saint Venant son importantes, no son los únicos.
Palabras clave: Principio de rigidez; Principio de superposición; Principio de Saint Venant.
2.8.1 El Principio de rigidez
El Principio de rigidez, también conocido como Ley de Hooke(2.4.1.1), es un principio
fundamental de la Resistencia de Materiales que estableceque la deformación de un cuerpo es
proporcional a la carga que lo produce, siempre que el material se comporte de manera elástica.
En términos matemáticos, el Principio de rigidez se puede expresar como:
σ = Eε
donde σ es el esfuerzo o fuerza aplicada por unidad de área, E es el módulo de elasticidad del
material, y ε es la deformación unitaria o cambio en longitud por unidad de longitud.
Si la carga aplicada es demasiado grande, el material puede sufrir deformaciones plásticas e
incluso fracturas, lo que invalida la Ley de Hooke.
M = F1 ∗ l M = F1 ∗ l + F2 ∗ f
Palabras clave: Principio de rigidez.
2.8.2 El Principio de superposición
El Principio de Superposición en Resistencia de Materiales permite analizar el efecto de cada
carga de manera individual y luego sumar los efectos para obtener el efecto total de todas las
Figura 2.8.1 Pequeños desplazamientos Geometría deformada
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cargas en la estructura. Este principio permite descomponer un problema complejo en varios
problemas más sencillos y manejables que se pueden resolver de manera individual y luego
combinar los resultados para obtener la solución global del problema. Sin embargo, el principio
solo es válido si las cargas no interactúan entre sí y no producen efectos secundarios que afecten
a otras cargas. Si las cargas interactúan entre sí, se deben utilizar otros métodos de análisis más
avanzados.
Palabras clave: Principio de superposición.
2.8.3 El Principio de Saint Venant
El Principio de Saint Venant establece que cuando se aplica una carga en un punto específico de
una estructura o componente mecánico, el efecto de la carga se propaga gradualmente por todo
el material. A medida que la distancia desde el punto de aplicación de la carga aumenta, el efecto
de la carga se vuelve cada vez menos significativo y se aproxima a un estado de esfuerzos y
deformaciones uniformes. Este principio permite simplificar el análisis de una estructura o
componente mecánico, centrándose en las zonas donde la carga aplicada produce efectos
significativos. Sin embargo, el Principio de Saint Venant solo es válido para ciertos tipos de cargas
y no se aplica a todas las situaciones.
Figura 2.8.2 Implicación del Principio de superposición
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Palabras clave: Principio de Saint Venant.
2.9 Elementos finitos
La técnica de elementos finitos es un método numérico ampliamente utilizado en la ingeniería y
la mecánica para analizar el comportamiento de estructuras y componentes mecánicos. Se utiliza
software especializado para modelar la estructura o componente y simular su comportamiento
bajo diferentes condiciones de carga, lo que permite mejorar el rendimiento y la seguridad de los
diseños mecánicos.
Palabras clave: Elementos finitos.
2.9.1 El método de elementos finitos
En el método de elementos finitos, la estructura o componente mecánico se divide en pequeños
elementos finitos. Cada elemento finito se considera una entidad independiente y se resuelven
las ecuaciones matemáticas que describen su comportamiento para obtener los valores de
desplazamientos, deformaciones y esfuerzos en los puntos nodales de cada elemento. Luego, se
resuelven las ecuaciones resultantes de la discretización de la estructura para obtener una
solución aproximada del problema original.
Figura 2.8.3 Principio de Saint Venant
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Memoria
Palabras clave: Método de elementos finitos; Desplazamientos; Deformaciones; Esfuerzos en los
puntos nodales.
2.9.2 El nodo de elementos finitos
Un nodo de elementos finitos es un punto discreto en la malla de elementos finitos utilizado para
definir las características físicas del modelo en el análisis por elementos finitos. Cada nodo
representa un punto en la estructura o componente mecánico que se está modelando, donde se
aplican las condiciones de borde y carga, y se calculan las soluciones del modelo.
Palabras clave: Método de elementos finitos; Nodo de elementos finitos; Malla de elementos
finitos.
2.9.3 El elemento de elementos finitos
Un elemento de elementos finitos es una entidad matemática que se utiliza para discretizar una
estructura continua en un conjunto de pequeñas subregiones, a fin de realizar el análisis por
elementos finitos. Cada elemento finito está definido por un conjunto de nodos y se utiliza para
aproximar el comportamiento mecánico de la estructura o componente mecánico en el modelo
de elementos finitos.
En términos generales, los elementos finitos se dividen en dos tipos principales: elementos
unidimensionales y elementos bidimensionales (también llamados elementos de superficie).
Figura 2.9.2 Nodos de una malla
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Memoria
Palabras clave: Método de elementos finitos; Elemento de elementos finitos; Elementos
unidimensionales; Elementos bidimensionales.
2.9.3.1 Los elementos unidimensionales
Los elementos unidimensionales utilizados en el análisis por elementos finitos para modelar
estructuras que tienen un eje principal y que se extienden en una sola dirección.
Los elementos unidimensionales pueden tener diferentes formas, pero los más comunes son los
elementos de barra y los elementos de viga. Los elementos de barra se utilizan para modelar
elementos estructurales que tienen una sección transversal constante a lo largo de su longitud,
como postes o columnas, mientras que los elementos de viga se utilizan para modelar elementos
estructurales que tienen una sección transversal variable, como vigas.
Cada elemento unidimensional está definido por dos o más nodos en sus extremos, donde se
aplican las condiciones de borde y carga. El módulo de elasticidad y la sección transversal, se
definen en los nodos, y las soluciones se interpolan a lo largo del elemento para obtener las
soluciones a lo largo de toda la estructura.
Palabras clave: Método de elementos finitos; Elemento de elementos finitos; Elementos
unidimensionales.
2.9.3.2 Los elementos bidimensionales
Los elementos bidimensionales utilizados en el análisis por elementos finitos para modelar
estructuras que tienen dos dimensiones principales, como placas y láminas.
Los elementos bidimensionales pueden tener diferentes formas, pero los más comunes son los
elementos triangulares y los elementos cuadriláteros. Los elementos triangulares se utilizan
comúnmente para modelar geometrías complejas y para mejorar la precisión en áreas con
Figura 2.9.3 Elementos de una malla
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Memoria
cambios abruptos en la forma, mientras que los elementos cuadriláteros se utilizan comúnmente
para modelar geometrías regulares y simplificar la malla.
Cada elemento bidimensional está definido por tres o más nodos, donde se aplican las
condiciones de borde y carga. El módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson, se definen en
los nodos, y las soluciones se interpolan a lo largo del elemento para obtener las soluciones en
toda la estructura.
Palabras clave: Método de elementos finitos; Elemento de elementos finitos; Elementos
bidimensionales.
2.9.4 La malla de elementos finitos
Una malla de elementos finitos es una red de pequeños elementos geométricos que se utilizan
para representar la forma y el comportamiento de una estructura o componente mecánico en un
modelo de elementos finitos. La malla se genera dividiendo la geometría original del objeto en
pequeños elementos finitos que se pueden aproximar matemáticamente.
Cada elemento finito se compone de varios puntos nodales, que son los puntos de intersección
de los elementos en la malla. Los desplazamientos, deformaciones y esfuerzos se calculan en los
puntos nodales de cada elemento finito y se interpolan en el resto de los puntos de la malla.
Una malla de elementos finitos bien diseñada y refinada es esencial para obtener resultados
precisos y confiables en el análisis por elementos finitos. El tamaño y la forma de los elementos
finitos se seleccionan en función de la complejidadde la geometría y de los detalles del
comportamiento mecánico de la estructura o componente a analizar.
Una malla más refinada, con elementos más pequeños, generalmente resulta en una solución
más precisa, pero a costa de un mayor costo computacional.
Palabras clave:Método de elementos finitos; Malla de elementos finitos.
2.10 Industria 4.0
En nuestra vida diaria, utilizamos la tecnología digital en muchos aspectos. En un futuro próximo,
la industria también experimentará una transformación digital, conocida como Industria 4.0.
La automatización del proceso de producción puede lograrse gradualmente gracias a esta nueva
tecnología.
Estas tecnologías son aplicables a la fabricación inteligente, la gestión inteligente de la cadena de
suministro, la personalización de productos, la colaboración hombre-máquina y la optimización
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de recursos.
La nueva industria permite a los fabricantes compartir información con máquinas, automatizar
procesos y dispositivos, y la inteligencia artificial puede realizar trabajos más complejos.
La Industria 4.0 puede llevar a mejoras significativas en la gestión, una mayor automatización y
una mayor integración global.
La cuarta revolución industrial se distingue por su capacidad para generar resultados visibles de
manera más rápida y en mayor medida que en el pasado, gracias a la interconexión a través de
internet. Esto conlleva una mayor facilidad de acceso a la información, mayor seguridad y
privacidad en la identidad digital de los usuarios.
La Industria 4.0 tiene como objetivo digitalizar y hacer más inteligente la gestión de la cadena de
suministro, fabricación y ventas, con el fin de lograr una producción más rápida, eficiente y
personalizada de los productos.
Palabras clave: Industria 4.0; Internet de las cosas (IoT); Inteligencia artificial (IA); Big data.
2.10.1 El Internet de las cosas (IoT)
El Internet de las cosas (IoT, por sus siglas en inglés) es una red de objetos físicos, dispositivos,
vehículos, edificios y otros elementos que están conectados entre sí y que pueden comunicarse y
Figura 2.10 Las distintas revoluciones industriales.
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compartir información a través de internet sin necesidad de la intervención humana. Estos
objetos pueden ser sensores, actuadores, dispositivos móviles, electrodomésticos, vehículos,
maquinarias, entre otros.
La idea detrás del IoT es conectar los objetos cotidianos a internet para mejorar su funcionalidad,
eficiencia y comodidad. Por ejemplo, un termostato inteligente que está conectado a internet
puede ajustar automáticamente la temperatura de una habitación según las preferencias de los
usuarios y las condiciones climáticas exteriores. Asimismo, una lavadora inteligente puede
programarse para que inicie el lavado en un momento determinado y avisar al usuario cuando el
ciclo ha terminado.
El IoT se basa en tecnologías de comunicación, como Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, RFID y NFC, que
permiten que los dispositivos se comuniquen y compartan información entre sí y con otros
sistemas. Además, el IoT también utiliza técnicas de análisis de datos, inteligencia artificial y
aprendizaje automático para recopilar y procesar grandes cantidades de datos generados por los
dispositivos conectados, lo que permite obtener información valiosa y tomar decisiones más
informadas.
En resumen, el IoT es una red de objetos físicos conectados a internet que pueden comunicarse
entre sí y compartir información, lo que permite mejorar la funcionalidad, la eficiencia y la
comodidad de los objetos cotidianos y obtener información valiosa para la toma de decisiones.
Figura 2.10.1 Internet de las cosas (IoT)
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Palabras clave: Internet de las cosas (IoT); Inteligencia artificial (IA); Wi-Fi; Bluetooth; Zigbee;
RFID; NFC.
2.10.2 La inteligencia artificial (IA)
La inteligencia artificial (IA) es la capacidad de las máquinas para realizar tareas que antes solo los
humanos podían hacer, como el razonamiento, el aprendizaje y la resolución de problemas. Se
basa en algoritmos y modelos matemáticos para procesar grandes cantidades de datos y tomar
decisiones en base a la información recopilada. Hay diferentes técnicas en IA, incluyendo el
aprendizaje automático, procesamiento de lenguaje y automatización inteligente. La IA se utiliza
en varios campos, como la industria, la medicina y la educación, para tareas como análisis de
datos, pronóstico del tiempo y conducción autónoma. Con el avance de la tecnología, la IA jugará
un papel cada vez más importante.
Palabras clave: Inteligencia artificial (IA); NLP.
2.10.3 El big data
El big data hace referencia a la gestión y análisis de grandes volúmenes de datos que requieren
herramientas especializadas para su procesamiento debido a su cantidad y variedad. En la era
digital actual, las empresas generan grandes cantidades de datos a través de diversas fuentes
como redes sociales, sensores, móviles, correos electrónicos y transacciones en línea, y el análisis
de big data puede proporcionar información valiosa para mejorar la eficiencia, productividad y
toma de decisiones en muchos campos, incluyendo la medicina, los negocios, la industria, la
educación y la seguridad.
Palabras clave: Big data.
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2.11 Digital Twins
2.11.1 Definición de gemelo digital
Un gemelo digital es una representación virtual de un objeto, sistema o proceso físico capaz de
imitar las condiciones y comportamientos de su contraparte en el mundo real. Con datos
enriquecidos, puede informar sobre la toma de decisiones al ayudar a comprender el pasado,
observar el presente y predecir el futuro del sistema estudiado. Se utiliza para crear un modelo
digital de sistemas mediante el uso de conjuntos de datos de múltiples fuentes, desde datos de
diseño hasta datos de Internet. Los gemelos digitales son completamente funcionales y se
construyen sobre una plataforma 3D en tiempo real para simular el comportamiento del sistema
de una manera precisa. En la industria 4.0, los gemelos digitales son herramientas de gran
importancia para cualquier empresa.
Figura 2.11 Digital Twins
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Palabras clave: Digital Twins; Gemelos digitales; Internet de las cosas (IoT).
2.11.2 Clasificación de gemelo digital
Existen diferentes formas de clasificar los gemelos digitales, dependiendo del enfoque que se
utilice. A continuación, se presentan algunas de las clasificaciones más comunes: según el nivel
de detalle, según la finalidad, según el ámbito de aplicación, según la relación con el objeto físico,
según la relación con el tiempo.
Palabras clave: Clasificación de gemelo digital; Según el nivel de detalle; Según la finalidad; Según
el ámbito de aplicación; Según la relación con el objeto físico; Según la relación con el tiempo.
2.11.2.1 Según el nivel de detalle
Se pueden distinguir entre gemelos digitales de nivel básico, que se centran en la monitorización
y el mantenimiento, y gemelos digitales de nivel avanzado, que incorporan modelos de
simulación y análisis avanzado para predecir el comportamiento del sistema.
Palabras clave:Según el nivel de detalle.
Figura 2.11.1 Gemelo digital
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2.11.2.2 Según la finalidad
Se pueden clasificar en gemelos digitales de producto, que se utilizan para el diseño y la
optimización de productos, y gemelos digitales de proceso, que se utilizan para la optimización
de procesos y operaciones.
Palabras clave: Según la finalidad.
2.11.2.3 Según el ámbito de aplicación
Se pueden distinguir entre gemelos digitales para la industria manufacturera, la energía, el
transporte, la salud, la construcción, entre otros.
Palabras clave: Según el ámbito de aplicación.
2.11.2.4 Según la relación con el objeto físico
Se pueden clasificar en gemelos digitales de sistemas autónomos, que operan de forma
autónoma y se ajustana las condiciones del entorno, y gemelos digitales de sistemas controlados,
que están sujetos a un control externo.
Palabras clave: Según la relación con el objeto físico.
2.11.2.5 Según la relación con el tiempo
Se pueden distinguir entre gemelos digitales estáticos, que representan una instantánea del
sistema en un momento dado, y gemelos digitales dinámicos, que representan la evolución del
sistema a lo largo del tiempo.
Palabras clave: Según la relación con el tiempo.
2.11.3 Característica de gemelo digital
Las principales características de un gemelo digital son: representación digital del objeto físico,
integración de datos, modelado y simulación, monitorización en tiempo real, optimización,
análisis avanzado, colaboración y compartición de datos.
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Palabras clave: Característica de gemelo digital.
2.11.3.1 Representación digital del objeto físico
Un gemelo digital es una representación digital precisa de un objeto físico, que puede ser un
producto, un proceso o un sistema.
Palabras clave: Representación digital del objeto físico.
2.11.3.2 Integración de datos
Los gemelos digitales se basan en la integración de datos de diferentes fuentes, como sensores,
sistemas de control, bases de datos, entre otros.
Palabras clave: Integración de datos.
2.11.3.3 Modelado y simulación
Los gemelos digitales utilizan modelos y simulaciones para predecir el comportamiento del
objeto físico y mejorar su rendimiento.
Palabras clave:Modelado y simulación.
2.11.3.4 Monitorización en tiempo real
Los gemelos digitales permiten la monitorización en tiempo real del objeto físico, lo que facilita la
identificación temprana de problemas y la toma de decisiones.
Palabras clave:Monitorización en tiempo real.
2.11.3.5 Optimización
Los gemelos digitales se utilizan para optimizar el rendimiento del objeto físico, reducir costos y
mejorar la eficiencia.
Palabras clave: Optimización.
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2.11.3.6 Análisis avanzado
Los gemelos digitales utilizan técnicas de análisis avanzado, como el aprendizaje automático y la
inteligencia artificial, para mejorar la precisión de las simulaciones y los modelos.
Palabras clave: Análisis avanzado.
2.11.3.7 Colaboración y compartición de datos
Los gemelos digitales permiten la colaboración y compartición de datos entre diferentes equipos
y organizaciones, lo que facilita la toma de decisiones y la resolución de problemas.
Palabras clave: Colaboración y compartición de datos.
2.11.4 La transformación digital
La Industria 4.0 se caracteriza por la integración de la tecnología en todas las áreas de la empresa,
lo que provoca un cambio a gran escala en la forma en que opera la empresa. El uso de IoT
implica una revolución digital sin precedentes, lo que da lugar a la denominada transformación
digital. Esta transformación implica la reelaboración de productos, procesos y estrategias a través
del aprovechamiento de la tecnología digital. Aunque la automatización de los procesos de
producción puede generar controversia debido a la pérdida de empleos, también puede generar
nuevos empleos para controlar y solucionar errores en la automatización.
La transformación digital suele hacer uso de diversas tecnologías digitales como el cloud
computing, la analítica de datos, la inteligencia artificial, la automatización de procesos, el
Internet de las cosas, entre otras.
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Palabras clave: Cloud computing; Big datas; La inteligencia artificial, El Internet de las cosas(IoT).
2.11.5 La historia del digital twin
El concepto de Gemelos Digitales se originó en la NASA en la década de 1970 para ayudar a
controlar y mantener sistemas complejos en viajes espaciales. Con el auge del modelo basado en
ingeniería de sistemas, los modelos se convirtieron en la columna vertebral de la ingeniería de
sistemas, permitiendo una validación virtual siempre actualizada en todos los niveles. A medida
que la tecnología digital ha avanzado, el uso de Digital Twins se ha extendido y evolucionado, y
hoy en día son una herramienta clave para la innovación y la transformación digital en diversas
industrias.
Palabras clave: Digital Twin; NASA; Transformación digital.
Figura 2.11.4 Transformación digital
Figura 2.11.5 La historia del digital twin
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2.11.5.1 NASA
La NASA es la agencia espacial del gobierno de los Estados Unidos que se encarga del desarrollo
de la tecnología y la ciencia relacionadas con la exploración del espacio. Además de trabajar en
colaboración con otras agencias espaciales de todo el mundo, la NASA también se dedica a la
investigación y desarrollo de tecnologías aeronáuticas y de aviación, incluyendo la investigación
sobre la seguridad y eficiencia de los vuelos comerciales y la aviación militar.
Palabras clave: NASA; Apolo 11; ESA; JAXA.
2.11.6 Los beneficios de gemelo digital
La implementación de la tecnología Digital Twin está revolucionando muchas áreas de negocio,
generando innovación y mejores rendimientos. La creación de un modelo digital preciso desde el
inicio de un proyecto tiene beneficios a lo largo de su vida útil, ya que el 80-90% de los costos
totales se determinan durante la etapa de diseño. Además, el uso de Digital Twins permite una
mejor comprensión del producto o proceso a un nivel más profundo.
Palabras clave: Beneficios de gemelo digital.
2.11.6.1 Mejora del rendimiento
El uso de un gemelo digital permite simular diferentes escenarios y evaluar su impacto en el
rendimiento del objeto físico. Esto facilita la identificación de mejoras y la toma de decisiones
informadas para optimizar su rendimiento.
Palabras clave:Mejora del rendimiento.
Figura 2.11.5.1 NASA
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2.11.6.2 Reducción de costos
Los gemelos digitales permiten detectar y corregir problemas de manera temprana, lo que
reduce los costos de reparación y mantenimiento. También pueden ayudar a mejorar la eficiencia
de los procesos, reducir el consumo de energía y optimizar el uso de los recursos.
Palabras clave: Reducción de costos.
2.11.6.3 Mejora de la calidad
Al utilizar gemelos digitales en el diseño y la fabricación de productos, se pueden detectar
problemas de calidad antes de que los productos salgan al mercado. Esto reduce el número de
devoluciones y reclamaciones y mejora la satisfacción del cliente.
Palabras clave:Mejora de la calidad.
2.11.6.4 Reducción del tiempo de comercialización
Los gemelos digitales permiten acelerar el diseño, la fabricación y la comercialización de
productos, lo que mejora la competitividad de las empresas.
Palabras clave: Reducción del tiempo de comercialización.
2.11.6.5 Mejora de la seguridad
Los gemelos digitales permiten simular diferentes escenarios y evaluar su impacto en la
seguridad de las personas y los bienes. Esto ayuda a identificar riesgos potenciales y tomar
medidas preventivas para reducir los accidentes y mejorar la seguridad en general.
Palabras clave:Mejora de la seguridad.
2.11.6.6 Mejora de la eficiencia de la gestión de activos
Los gemelos digitales permiten monitorear y analizar el rendimiento de los activos en tiempo real,
lo que permite una gestión más eficiente y proactiva de los mismos.
Palabras clave:Mejora de la eficiencia de la gestión de activos.
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2.11.6.7 Mejora de la toma de decisiones
Los gemelos digitales proporcionan información en tiempo real y una visión integral del objeto
físico, lo que permite tomar decisiones más informadas y acertadas.
Palabras clave:Mejora de la toma de decisiones.
2.11.7 Los inconvenientes de gemelo digital
El uso de gemelos digitales también presenta algunos inconvenientes, entre los que se incluyen:
coste de implementación, falta de datos, dificultad para adaptarse a cambios imprevistos,
problemas de seguridad, falta de comprensión de la precisión.
Palabras clave: Los inconvenientesde gemelo digital.
2.11.7.1 Coste de implementación
La creación de un gemelo digital puede ser costosa en términos de tiempo y recursos necesarios
para el desarrollo y mantenimiento de los modelos, software y hardware necesarios.
Palabras clave: Coste de implementación.
2.11.7.2 Falta de datos
Los gemelos digitales requieren una gran cantidad de datos para ser precisos, lo que puede ser
difícil de recopilar y analizar.
Palabras clave: Falta de datos.
2.11.7.3 Dificultad para adaptarse a cambios imprevistos
Aunque los gemelos digitales pueden ser muy útiles para predecir el comportamiento de los
sistemas, pueden tener dificultades para adaptarse a cambios inesperados o eventos no
previstos.
Palabras clave: Dificultad para adaptarse a cambios imprevistos.
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2.11.7.4 Problemas de seguridad
Los gemelos digitales contienen información valiosa sobre los sistemas y procesos que
representan, lo que los convierte en un objetivo atractivo para los ciberataques. Es importante
garantizar la seguridad de los gemelos digitales para evitar que sean comprometidos.
Palabras clave: Problemas de seguridad.
2.11.7.5 Falta de comprensión de la precisión
Es importante entender que los resultados obtenidos a través de un gemelo digital están basados
en supuestos y modelos matemáticos, y pueden no ser 100% precisos en el mundo real. Por lo
tanto, se debe tener cuidado al interpretar los resultados de un gemelo digital y tomar decisiones
importantes basadas en ellos.
Palabras clave: Falta de comprensión de la precisión.
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3. BLENDER
Blender es un programa informático multiplataforma.
Palabras clave: Blender.
3.1 Introducción a Blender
Blender es un software de edición tridimensional de código abierto y gratuito que ofrece
herramientas para el modelado, la texturización, la iluminación, el renderizado, la animación, los
efectos visuales, la composición por nodos, la simulación de fluidos y partículas, y herramientas
2D en el espacio 3D. Para aquellos que no lo han utilizado anteriormente, aprender a utilizar
Blender puede ser un desafío inicial en un proyecto.
Palabras clave: Blender; software de gráficos 3D.
3.2 Suzanne, la "mascota" mono de Blender
Suzanne es un modelo de prueba en 3D de un mono que se utiliza en el software Blender. Fue
creado originalmente por el artista gráfico y desarrollador de software holandés Ton Roosendaal
como un modelo simple para ser utilizado en pruebas de iluminación y texturizado. Con el
tiempo, Suzanne se convirtió en una especie de "mascota" no oficial para la comunidad de
usuarios de Blender y se ha utilizado como un ejemplo en tutoriales y proyectos de la comunidad.
Figura 3 blender
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Suzanne está disponible en la biblioteca de modelos predeterminados de Blender y se puede
agregar a cualquier escena con solo unos pocos clics. La popularidad de Suzanne también ha
dado lugar a la creación de otros modelos "mascota" en Blender, como el "Donut" y el "Robot".
Palabras clave: Blender; Suzanne.
3.3 Las ventajas de Blender
Blender es una herramienta poderosa y versátil para la creación de gráficos y animaciones en 3D
que ofrece una amplia gama de funciones y herramientas de alta calidad, y se puede utilizar sin
costo alguno.
Palabras clave: Blender.
3.3.1 Disponibilidad gratuita
Blender es una opción de software gratuito que no requiere una inversión monetaria significativa.
Palabras clave: Disponibilidad gratuita.
3.3.2 Interfaz de usuario personalizable
La interfaz de usuario de Blender se puede personalizar para satisfacer las necesidades
específicas de cada usuario.
Figura 3.2 Suzanne
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Palabras clave: Interfaz de usuario personalizable.
3.3.3 Capacidad de modelado en 3D
Blender es capaz de modelar en 3D y tiene una gran variedad de herramientas de modelado que
permiten la creación de objetos complejos.
Palabras clave: Capacidad de modelado en 3D.
3.3.4 Herramientas de animación avanzadas
Blender tiene una amplia gama de herramientas de animación avanzadas, incluyendo
herramientas para la creación de personajes, animación facial y animación por huesos.
Palabras clave: Herramientas de animación avanzadas.
3.3.5 Renderizado avanzado
Blender cuenta con un potente motor de renderizado que puede crear imágenes realistas y
efectos visuales impresionantes.
Palabras clave: Renderizado avanzado.
3.3.6 Amplia comunidad de usuarios
Blender tiene una comunidad activa de usuarios que comparten tutoriales y recursos útiles en
línea.
Palabras clave: Amplia comunidad de usuarios.
3.3.7 Compatibilidad multiplataforma
Blender es compatible con diferentes sistemas operativos, incluyendo Windows, macOS y Linux.
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Memoria
Palabras clave: Compatibilidad multiplataforma.
3.4 Las desventajas de Blender
Aunque Blender es una herramienta muy completa y potente, también tiene algunas desventajas
que pueden afectar su uso para ciertos proyectos o usuarios. Algunas de las desventajas de
Blender son: La curva de aprendizaje, la interfaz de usuario, los problemas de compatibilidad, las
limitaciones en la animación de personajes.
Palabras clave: Las desventajas de Blender.
3.4.1 La curva de aprendizaje
Blender puede ser difícil de aprender para los usuarios nuevos en el campo del diseño y
animación 3D. Aunque existen muchos tutoriales en línea, la cantidad de funciones y
herramientas pueden abrumar a los principiantes.
Palabras clave: La curva de aprendizaje.
3.4.2 La interfaz de usuario
La interfaz de usuario de Blender puede ser menos intuitiva que la de otras herramientas de
diseño y animación 3D. Los usuarios pueden encontrar que las opciones de menú no son fáciles
de encontrar o utilizar.
Palabras clave: La interfaz de usuario.
3.4.3 Los problemas de compatibilidad
Blender utiliza formatos de archivo propios para guardar proyectos, lo que puede generar
problemas de compatibilidad con otros programas de diseño y animación 3D. Aunque Blender
puede exportar en una variedad de formatos de archivo, algunos pueden no ser compatibles con
otros programas.
Palabras clave: Los problemas de compatibilidad .
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3.4.4 Las limitaciones en la animación de personajes
Aunque Blender es adecuado para la animación de personajes, hay algunas limitaciones en la
herramienta que pueden dificultar la creación de animaciones de personajes complejas.
Palabras clave: Las limitaciones en la animación de personajes .
3.5 Trabajo realizado
En esta sección se detallarán los pasos seguidos para obtener el resultado final.
3.5.1 Creación del modelo
Primero, se crea un modelo 3D que representa una viga con un apoyo empotrado en un extremo
y un apoyo móvil en el otro extremo, y a la cual se le cuelga un peso. La viga tiene una superficie
de 1,1 x 0,04 m2 y un grosor de 0,005 m.
Primero, se deben definir las coordenadas de los nodos en el sistema de coordenadas cartesianas
(xyz). Luego, se deben conectar los nodos mediante líneas y, finalmente, unir estas líneas para
formar áreas.
Este modelo se crea como se muestra en la figura siguiente(con colores y texturas):
En la siguiente sección explicaré colores y texturas.
Luego cree galgas extensiométricas en la viga, como se muestra a continuación. Define las
coordenadas de los nodos en un sistema de coordenadas cartesianas (xyz). Luego conecte los
nodos en líneas y convierta esas líneas en áreas. Después, reproduzca la galga extensiométrica
dibujada dos veces en las ubicaciones correspondientes.
Figura 3.5.1.1 La viga en blender
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Necesitamos crear las partes del equipo experimental que soportan la viga.(El método de dibujo
es el mismo que el anterior.)
Figura 3.5.1.2 Las galgas extensiométricas en blender
Figura 3.5.1.3 La barra trasera en blender
Figura 3.5.1.4 La base de soporteen blender
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Figura 3.5.1.5 La columna de soporte en blender
Figura 3.5.1.6 La junta antideslizante en blender
Figura 3.5.1.7 El tornillo de conexión en blender
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Figura 3.5.1.8 La pieza de ayopo móvil en blender
Figura 3.5.1.9 El fijador de apoyo y su arandela en blender
Figura 3.5.1.10 El cuerpo de apoyo en blender
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Figura 3.5.1.11 El conjunto de apoyo móvil en blender
Figura 3.5.1.12 El conjunto de apoyo empotrado en blender
Figura 3.5.1.13 El conjunto de equipos experimentales(vista frontal) en blender
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Figura 3.5.1.16 La tuerca del brazo colgante en blender
Figura 3.5.1.15 El brazo colgante de impresión 3D en blender
Figura 3.5.1.14 El conjunto de equipos experimentales(vista trasera) en blender
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Figura 3.5.1.18 El perno del brazo colgante en blender
Figura 3.5.1.17 La arandela del brazo colgante en blender
Figura 3.5.1.19 El peso del brazo colgante en blender
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Por último, en el proceso de diseño 3D, se incluye la creación del suelo como un paso adicional.
Esto resulta importante para facilitar la visualización completa del modelo 3D al exportarlo a la
plataforma OSI4IOT. Para crear el suelo, se agrega un plano a través de la opción
"Agregar-Malla-Plano" y se dimensiona para que cubra toda la mesa. Luego, se coloca debajo de
las patas.
Figura 3.5.1.21 El suelo en blender
Figura 3.5.1.20 El conjunto del brazo colgante y el peso en blender
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El resultado final se muestra en la siguiente figura:
Figura 3.5.1.22 Resultado final diseño 3D en blender(vista frontal).
Figura 3.5.1.23 Resultado final diseño 3D en blender(vista trasera)
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3.5.2. Colores y texturas
Para mejorar la apariencia y realismo del diseño y animación, es posible agregar color. Para ello,
se debe acceder al apartado de "Propiedades de Materiales" (mostrado en la figura 3.5.2.2). En
este caso, como el equipo experimental ya ha sido pintado, se puede utilizar el color existente.
Figura 3.5.2.1 Ejemplo 1 la barra trasera con color negro
Figura 3.5.2.2 Propiedades de Materiales-Base Color
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Figura 3.5.2.4 Propiedades de Materiales-Base Color
Figura 3.5.2.3 Ejemplo 2 la barra trasera con color amarillo
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Algunos equipos experimentales no están pintados y mantienen el color natural del material,
como el hierro oxidado.
En este momento, se utiliza la función de textura de Blender. Se puede descargar una imagen
similar de Internet y, a continuación, seleccione la sección de Shading, configurar de acuerdo a la
figura siguiente:
Figura 3.5.2.6 Shading-Principled BSDF
Figura 3.5.2.5 Ejemplo 1 imagen del hierro oxidado
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Para verificar que los archivos se exportan correctamente, se pueden exportar en formato GLTF,
que es compatible con la plataforma OSI4IOT. Luego, se puede visualizar el modelo y la animación
utilizando un visor de GLTF como https://gltf-viewer.donmccurdy.com/ para asegurarse de que
todo está hecho de forma correcta. Es esencial exportar el archivo en formato GLTF ya que se
basa en JSON.
3.5.2.1 El formato JSON
JSON significa "JavaScript Object Notation" y es un formato de intercambio de datos ligero,
independiente del lenguaje de programación. Es similar a XML, pero más fácil de leer y escribir
para los seres humanos y más fácil de analizar y generar para las máquinas. El formato JSON se
utiliza ampliamente para intercambiar datos en aplicaciones web y en servicios de API.
Figura 3.5.2.7 Ejemplo 2 imagen de la pieza 3D
Figura 3.5.2.8 Shading-Principled BSDF
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3.5.3. Creación de la animación
El siguiente paso es la creación de la animación.
En este experimento solo simulamos el movimiento del peso desde la segunda galga
extensiométrica hasta la tercera galga extensiométrica.
Entonces, esta animación solo incluye el movimiento del peso desde la segunda galga
extensométrica hasta la tercera galga extensométrica.
Para crear una animación, acceder al apartado de Animation en la parte superior de la interfaz.
La animación permite que un objeto se mueva o cambie de forma con el tiempo, mediante
cambios en su posición, orientación o tamaño. También se pueden animar los vértices o puntos
de control del objeto, o hacer que se mueva en función del movimiento de otro objeto.
Se accede al apartado de Animation, seleccione los objetos que necesitamos mover en la
colección de escenas, como se muestra en las figuras a continuación.
Figura 3.5.3.1 Animation en blender
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Presione teclado G y luego Y para mover todo el objeto a la posición de la segunda galga
extensiometrica, como se muestra en la figura a continuación.
Después de mover el objeto a la posición inicial , seleccione la plantilla de tiempo a 1, presione I,
luego seleccione Location y la plantilla de tiempo se registrará automáticamente la posición
actual.
Figura 3.5.3.3 La posición de la segunda galga extensiometrica
Figura 3.5.3.2 Los objetos en la colección de escenas
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Repita los teclados G e Y para mover los objetos a la tercera galga extensiométrica.
Figura 3.5.3.4 Location en Animation
Figura 3.5.3.5 Registrado la posición
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Después de mover el objeto a la posición final , seleccione la plantilla de tiempo a 240, presione I,
luego seleccione Location y la plantilla de tiempo se registrará automáticamente la posición
actual.
Intervalo de tiempo seleccione inicio 1, fin 250
Figura 3.5.3.6 La posición de la tercera galga extensiometrica
Figura 3.5.3.7 Registrado la posición
Figura 3.5.3.8 Intervalo de tiempo
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3.5.4. Propiedades de los objetos
Es crucial definir las propiedades de los objetos después de diseñar el modelo, especialmente las
del peso y su brazo colgante. Esto es porque una vez cargado el archivo GLTF en la plataforma
OSI4IOT, es necesario especificar las propiedades relevantes.
La figura a continuación muestra la definición de las propiedades del peso.
La definición de las propiedades del peso se puede ver en la figura 3.5.4.1, donde se han
establecido los valores máximos y mínimos. El mínimo(clipMinValues) corresponde a la posición
del peso en la segunda galga extensométrica, mientras que el máximo(clipMaxValues)
corresponde a la posición del peso en la tercera galga extensométrica.
Además, en cuanto a las variables denominadas ClipNames, se les asigna el archivo de vídeo. Las
demás variables son necesarias para que la plataforma OSI4IOT pueda leer correctamente el
archivo GLTF.
Figura 3.5.4.1 Las propiedades del peso
Figura 3.5.4.2 ClipNames
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3.5.5. Cargar la malla
Una vez se obtienen los resultados de la simulación en formato JSON, se pueden añadir al
modelo de simulación en Blender utilizando la aplicación Load_Fem_Meshes creada por director
Daniel Di Capua en lenguaje Python.
Después de instalar la aplicación, se puede agregar el archivo de resultados en formato JSON al
modelo de Blender. El archivo en formato GLTF será agregado a la plataforma OSI4IOT.
Figura 3.5.5Mallado en blender
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4. GiD
4.1 Introducción GiD
GiD es un software de simulación numérica por elementos finitos que se utiliza para el
preprocesado y postprocesado de modelos de ingeniería. GiD es compatible con diferentes tipos
de elementos finitos y análisis numéricos, y ofrece una amplia gama de herramientaspara la
creación y edición de modelos, la generación de mallas, la definición de condiciones de contorno
y la visualización de resultados.
Palabras clave: GiD; Elementos finitos; Análisis numéricos.
4.2 Ram Series
RamSeries es capaz de realizar análisis estructurales tridimensionales mediante el método de
elementos finitos, considerando la elasticidad lineal del material y pequeñas deformaciones en
toda la estructura. Además, puede dimensionar el análisis de las vigas de hormigón armado y
láminas de acero según la normativa española EHE. Estos módulos de análisis están disponibles
dentro de GiD, un pre y post procesador de uso generalizado en el ámbito de la ingeniería y
simulación numérica.
Palabras clave: RamSeries; Método de elementos finitos.
Figura 4 GiD
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4.3 Trabajo realizado
En este apartado se mostrará la simulación realizada mediante Ram Series.
4.3.1 Creación del modelo
En primer lugar, se definió la estructura que se basa en la superficie de la viga, el cuadrado en la
esquina inferior izquierda es para simular un apoyo empotrado, una línea en la esquina superior
derecha es para simular un apoyo móvil, los 9 cuadrados en el medio son para simular el peso
desde la posición de la segunda galga extensométrica hasta la tercera posición de la galga
extensométrica.
Como se puede observar, el grosor del haz es insignificante.
4.3.2 Definición del modelo
Sólo se realiza un mallado de la superficie, el mallado puede observarse en la figura 4.3.2.
Para que la simulación pueda cargarse correctamente en la plataforma OSI4IOT, es necesario que
la malla cumpla con ciertas características. La primera característica es que los elementos sean
lineales, la segunda característica es que tengan 3 nodos y la tercera característica es que sean
triangulares en la malla.
Figura 4.3.1 Geometría creada con Ram Series
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El material asignado para esta geometría consta de las siguientes características:
● Young: 70000 MPa
● Poisson: 0,33
● Límite elástico: 270 MPa
● Peso específico: 27000 (KN/m³)
● Espesor: 0,005 m
4.3.3 Las cargas aplicadas
En la figura 4.3.3 se pueden ver dos cargas aplicadas. La carga de color azul corresponde al peso
propio de la estructura, mientras que las dos cargas de color gris representan los colgantes en la
segunda y tercera galgas extensiométricas.
Figura 4.3.2Mallado con triangulos de 3 nodos en Ram Series
Figura 4.3.3.1 Las cargas aplicadas
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Una vez concluido el apartado de Ram Series, el siguiente paso es gestionar toda la información y
exportarla en formato JSON utilizando el lenguaje de programación JavaScri
Figura 4.3.3.2 Definición de los Modes
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5. JAVASCRIPT
Después de realizar la simulación en Ram Series, se utiliza JavaScript para manejar y estructurar
la información en el formato deseado.El programa Python utilizado no era adecuado para
administrar la información de Ram Series.
El objetivo principal de este trabajo es crear un digital twin, y aunque la programación es una
parte necesaria para lograr este objetivo, no es el foco principal.
Por tanto, se decidió utilizar un programa ya existente que se ajustaba perfectamente a los
requisitos del trabajo en lugar de desarrollar uno nuevo, por lo que todo el crédito de este
programa debe darse al proyecto que está siendo desarrollado por el Director de la tesis, Daniel
Di Capua. El proyecto es el siguiente:fibre4yards(https://www.fibre4yards.eu/)
Una vez utilizado el programa, los resultados obtenidos en formato JSON pueden ser utilizados en
la plataforma OSI4IOT, como se explicará en los siguientes apartados.
Figura 5 JavaScript
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6. LA PLATAFORMA OSI4IOT
Finalmente, se debe integrar la información generada por la simulación y el modelado 3D en la
plataforma OSI4IOT, con el fin de crear el gemelo digital.
La plataforma OSI4IOT, basada en el principio de funcionamiento del IoT, ha sido desarrollada por
el Director del proyecto, Daniel Di Capua.
La Plataforma de Demostración OSI de IoT (OSI4IoT) es una plataforma con el objetivo de ofrecer
una herramienta para la experimentación con tecnologías IoT y su integración con la capa OSI
(Open Systems Interconnection).
La plataforma consta de varios componentes, como dispositivos IoT, una plataforma de gestión
de dispositivos, una plataforma de recopilación de datos, una plataforma de análisis de datos y
una interfaz de usuario web. Está diseñada para ser flexible y escalable, y permite la integración
de diferentes tecnologías y protocolos IoT, incluyendo MQTT, CoAP y HTTP.
Palabras clave: OSI4IOT; OSI (Open Systems Interconnection); MQTT; CoAP; HTTP.
Figura 6 Plataforma OSI4IOT
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6.1 FIBRE4YARDS
Es un proyecto de investigación y desarrollo financiado por la Comisión Europea que tiene como
objetivo desarrollar una solución innovadora para la digitalización de la cadena de suministro de
la industria textil, especialmente en el sector de la producción de hilos de fibra continua. El
proyecto busca mejorar la eficiencia, la sostenibilidad y la competitividad del sector mediante la
integración de tecnologías avanzadas como la inteligencia artificial, el internet de las cosas (IoT) y
el gemelo digital en los procesos de producción y gestión de la cadena de suministro.
Palabras clave: FIBRE4YARDS; Inteligencia artificial; Internet de las cosas (IoT); Gemelo digital.
6.2 MQTT
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) es un protocolo que se basa en la centralización
de la comunicación de datos. En la figura 6.2 se observa un sensor que envía datos a un móvil y
un ordenador portátil, lo que puede resultar poco eficiente ya que el sensor debe enviar los datos
a cada dispositivo por separado. Con MQTT, un dispositivo publica los datos y los demás
dispositivos se suscriben a esa publicación en concreto, lo que reduce la sobrecarga de datos y el
consumo de ancho de banda. De esta forma, se puede gestionar la comunicación entre
dispositivos de manera más eficiente y rápida.
Figura 6.1 FIBRE4YARDS
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Palabras clave:MQTT (Message Queuing Telemetry Transport); Publisher; Subscriber.
6.2.1 Creación del modelo
El proceso inicial es crear el modelo. Se debe acceder a la web: https://iot.eebe.upc.edu/
Figura 6.2MQTT
Figura 6.2.1.1 Plataforma OSI4IOT
https://iot.eebe.upc.edu/
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Para acceder a la creación del digital twin, se dirige a Platform assitant.(Figura 6.2.1.1)
Después de hacer clic Platform assitant, se puede ver el esquema de los pisos de la Escuela de
Ingeniería de Barcelona Este, cada aula está asignada a un estudiante que trabaja con gemelos
digitales. Hay una aula reservada para el autor Jucheng Lin.
Para crear el digital twin, se debe acceder primero a la pestaña y luego al apartado de
Digital Twins para crear uno nuevo. Después, se debe ingresar la descripción y especificar en el
apartado Type que es un modelo 3D en formato GLTF.
Después de seleccionar la opción deseada, se presentan dos alternativas para cargar los archivos.
La primera opción, "GLTF data file", se refiere al archivo de datos GLTF creado en Blender con la
malla ya incorporada(Figura 3.5.5). La segunda opción, "Fem Simulation Data File", se refiere al
archivo de resultados de la simulación en formato JSON obtenido a partir de la simulación en
Ram Series.
Por último, en el apartado Digital twin simulation formats se inserta la información(Figura
6.2.1.2).
La plataforma OSI4IOT requiere que esta parte de las propiedades sea igual a la del Blender
anterior (3.5.4), Estas propiedades se agregan a la plataforma OSI4IOT. Una vez completado el
proceso y creado el digital twin, es necesario realizar un paso intermedio, que consiste en la
aplicación Node Red (6.3), antes de poder