Análisis estructural de un bus por el método de elementos finitos
Structural analysis of a bus by the finite element method
Análise estrutural de um barramento pelo método dos elementos finitos
Pedro Andrés Moreno-Zulca I
pandresmorenoz@gmail.com
https://orcid.org/0000-0001-7623-7117
Edilberto Antonio Llanes-Cedeño II
antonio.llanes@uisek.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-6739-7661
William Vinicio Guaña-Fernández III
williamgfvinicio.91@hotmail.com
https://orcid.org/0000-0003-1369-0007
Juan Carlos Jima-Matailo IV
juan.jima@uisek.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-5496-4073
Correspondencia: pandresmorenoz@gmail.com
Ciencias técnicas y aplicadas
Artículo de investigación
*Recibido: 18 de noviembre de 2019 *Aceptado: 30 de diciembre de 2019 * Publicado: 17 de enero de 2020
Resumen
Los buses de tipo urbano sirven para el transporte de personas en distancias cortas y medianas en el interior de la ciudad es relevante visualizar su diseño por motivos de seguridad. El presente estudio se centró en la definición del proceso de simulación de elementos finitos y como resultado se identificaron los factores más relevantes a la hora de procesar las particularidades de esté. Con la recopilación de la información teórica científica que aporta como ayuda al análisis de la estructura sometido a cargas variables con el fin de plasmarse el comportamiento estructural mostrando que la simulación es suficiente para su construcción y además se debe acudir a varios métodos que avalen la seguridad de los pasajeros, como también el modelo aplicado garantizarlo para su construcción.
Palabras clave: Carrocería; vehículo; esfuerzos; elementos finitos; diseño.
Abstract
Urban-type buses are used to transport people over short and medium distances inside the city. It was relevant to visualize their design for safety reasons. The present study focused on the definition of the process of simulation of finite elements and as a result, the most relevant factors were identified when processing the characteristics of this. With the compilation of the theoretical scientific information that contributes as an aid to the analysis of the structure subjected to variable loads in order to capture the structural behavior showing that the simulation is sufficient for its construction and also it is necessary to resort to several methods that guarantee the safety of the passengers, as well as the applied model guarantee it for its construction.
Keywords: Body; vehicle; efforts; finite elements; design.
Resumo
Os ônibus urbanos são usados para transportar pessoas por curtas e médias distâncias dentro da cidade.É importante visualizar seu projeto por razões de segurança. O presente estudo enfocou a definição do processo de simulação de elementos finitos e, como resultado, os fatores mais relevantes foram identificados no processamento das características deste. Com a compilação das informações científicas teóricas que contribuem para a análise da estrutura sujeita a cargas variáveis, a fim de capturar o comportamento estrutural, demonstrando que a simulação é
suficiente para sua construção e também é necessário recorrer a vários métodos que garantam a segurança dos passageiros, bem como o modelo aplicado, garantem sua construção.
Palavras-chave: Carroçaria; veículo; esforços; elementos finitos; design.
Introducción
La industria automotriz en el Ecuador, enfrenta grandes desafíos, evolucionando tecnológicamente nuevos diseños, que brinden seguridad a todos los ocupantes del bus, por lo que es necesario ejecutar investigaciones que ayuden al desarrollo de este tipo de industria, llegando a producir mensualmente hasta 127 carrocerías, repartidas en 62 de tipo urbano, 45 interprovincial, 8 de estilo turismo y finalmente 12 de tipo escolares, por lo que anualmente llega a producirse hasta 1524 unidades, en 41 empresas homologadas y registradas legalmente, dando trabajo de manera directa a 1348 personas, donde 137 son ocasionales y 53 que presentan algún grado de incapacidad, mientras que de manera indirecta son 889 personas (CANFAC, 2014; Rocha-Hoyos et al., 2019).
Los tipos de carrocerías utilizadas en el transporte público en el Ecuador, según Manjarrés, & Santillán (2016), basados en Normas y Reglamentos INEN son:
Los buses de Tipo Urbanos son de “estilo público, para el transporte de personas de distancias cortas y medianas, en el interior de la ciudad, en chasis de tipo cama baja, diferenciándose del interprovincial que son usados para largas distancias, proporcionado por una o varias empresas privadas, estableciéndose la ruta basada en áreas definidas y establecidas por operadoras diferentes en el Ecuador” (Manjarrés & Santillán, 2016).
Según Alvarado & Carrera (2015), detalla que el procedimiento de homologación incluye la presentación de las certificaciones de cumplimiento, donde se especifican las normas técnicas aplicables para los vehículos de transporte urbano, donde la institución encargada de la revisión y control, se las determina según la emisión de dos tipos de certificaciones como son:
Los buses se componen por dos partes que son: Carrocería y Chasis
La carrocería como se indica en la Figura 1, lo conforma la parte estructural en las que se ubican los pasajeros o la carga, la cual soporta las fuerzas de estilo estático y dinámico, a través de la resistencia y rigidez requerida, ante un impacto suscitado, formado por vigas, perfiles o planchas metálicas (Esmeraldas, 2016).
Figura 1. Carrocería de un bus (Esmeraldas, 2016)
Tipos de carrocerías
Elementos de una carrocería definida
Figura 2. Paneles Exteriores (Esmeraldas, 2016)
Figura 3. Armazón delantero (Esmeraldas, 2016)
Figura 4. Armazón Central y Posterior (Esmeraldas, 2016)
Figura 5. Armazón del Piso (Esmeraldas, 2016)
El chasis como se indica en la Figura 6, es el armazón de la unidad comprendida por bastidor, ruedas, transmisión, el cual está sometido a cargas variadas que se generan al montar una carrocería en base a varios tipos de chasises comprendidos por un proceso complejo por personal calificado en varias áreas (López, 2015).
Figura 6. Estructuras Básicas del Chasis (López, 2015)
El chasis está constituido normalmente por dos largueros unidos a un travesaño de diversas formas, el cual permite obtener oscilaciones del puente posterior (Chagoyén, Álvarez, Brito & Moya; 2013).
Figura 7. Modelo geométrico de un Chasis (Chagoyén, Álvarez, Brito & Moya; 2013)
Caracterización de las estructuras y sobre–estructuras, según Badea (2014) indica que la caracterización de los autobuses y autocares, para el transporte a gran escala, se fundamenta en el desarrollo, originada por lo que según las naciones unidas CEPE/ONU 107, se divide en:
Además, Badea (2014) indica que la caracterización de las estructuras se da en función del:
Existen varios tipos de simulación, el modelado con factores de carga y resistencia, se origina en conceptos de estados límite, donde se multiplica por cargas de factor definidas para el diseño de estructuras, agrupando combinaciones posibles de cargas y servicios utilizadas para definir momentos de tipo cortante y variado, en base a incertidumbres generadas por las imperfecciones en los materiales sintetizados, con criterios no conservadores, contemplados en el manual de la AISC (American Institute Steel Construction), donde las combinaciones desarrolladas son efectuadas en base a incrementos o decrementos estipulados en la Norma, fundamentadas en mecánica clásica, ocupadas por principios de resistencia de materiales, para lo cual se utiliza un procedimiento definido y presentado a continuación (INEN NTE 1323, 2009). Otro análisis es el de elementos finitos este inicia en los años 70, solo en computadoras de tipo y propiedad aeronáutica, de automoción, defensa y nuclear; lográndose implantar conocimientos de física, química y matemáticas, en un modelo de estilo matemático; donde el ingeniero afronta tareas de analizar y calcular soluciones para el diseño de distintos procesos, mediante modelos simplificados, apropiados de manera experimental, para problemas gobernados por un conjunto de ecuaciones diferenciales donde el dominio obtenido es discreteado, pudiéndose crear un modelo de estilo óptimo similar al diseño, pretendiéndose ir de un medio continuo a una serie prescrita de elementos unidos entre sí, dividiendo el espacio geométrico en elementos reflejados en puntos, líneas o superficie de manera lineal, bidimensional o tridimensional; calculando las incógnitas presentadas; comportándose el material de manera elástica en curvas de tensión – deformación hasta lograr un límite definido como se especifica en la Figura 8 (Arroba, 2013).
Figura 8. Curva tensión - deformación de un material (Arroba, 2013)
El análisis estructural consiste en asegurar la fiabilidad y la durabilidad de las estructuras, a través de conocimientos adquiridos, analizándose parámetros que conforman la configuración del software, en base a la experiencia mecánica y resistencia de materiales, verificando el comportamiento de los materiales. La seguridad en buses de tipo urbano, es un factor importante que debe permitir tener presente, ante un accidente a suscitar en carreteras, provocado por un vuelco originado, convirtiéndose en una necesidad adecuada para la protección, observando los espacios de supervivencia, implementado mejoras, ya que según la INEC en el Ecuador el 68% de habitantes ocupan transporte público, por lo que se necesita que este sea cómodo y seguro.
En tal motivo este trabajo se recopila información teórica científica que aporte como ayuda al análisis de la estructura sometido a cargas variables con el fin de analizar el comportamiento estructural de un bus urbano basado en la simulación de varios métodos que avalen la seguridad de los pasajeros.
Metodología
El presente estudio se centró en la definición del modelo de simulación en el proceso de elementos finitos y como resultado se identificaron los factores más relevantes a la hora de procesar las particularidades de este complejo trabajo que derivara a la ingeniería computarizada (CAE) (Vega et al., 2018).
Los métodos de análisis para resolver problemas dinámicos, según Donaire (2016) son:
Los tipos de análisis son esenciales según Vázquez (2014), indica que los tipos de análisis de modo estático del desarrollo de una pieza o ensamble son:
Los principales esfuerzos en la industria automotriz, según Vázquez (2014), son:
Figura 9. Diagrama de flujo de proceso de diseño estructural
Fuente: (Vázques, 2014)
Análisis de esfuerzos por elementos finitos
Los métodos a utilizar son los de Elementos Finitos y Matemáticos, debido a la división de los elementos en nodos, transformando las funciones matemáticas, en modelos discreto, mediante una interpolación de los valores suscitados, donde en cada función se distingue tres tipos de nodos, como son primarios, secundarios e intermedios, agrupándose en dos familias conocidas
como serendípidas y lagrangianas, sometiéndose a cargas variadas, en función de su geometría, definiéndose inicialmente las unidades, condiciones de contorno, en base a un modelado en 3D de las partes que conforman la carrocería, ubicando las restricciones y fuerzas, dando como resultados esfuerzos, deformaciones, desplazamientos y factores de seguridad, donde los elementos generatrices satisfacen las condiciones, permitiendo la transformación geométrica en base a errores presentados como los de modelización, discretización y de computación, con un mallado de tipo adaptivo en base a un resultado de un:
Método H, el cual consiste en la reducción del error, presentado en dos inconvenientes como es la lentitud y la pérdida del control pudiendo provocar un mallado distorsionado.
Método P, consistiendo en un aumento progresivamente la interpolación con un mantenimiento fijo, con mayor velocidad de convergencia, presentando un grado alto en las soluciones.
Método HP, se trata de una secuencia generada en ambas técnicas, donde se optimiza el mallado de la geometría con un error marcado y estimado como mínimo.
Por lo que (Frías, E.; 2004; Guamán et al., 2019), detalla los siguientes pasos a seguir, del Método de Elementos Finitos (MEF), ubicados en la Figura 10, como son:
Figura 10. Procedimientos Metodológico del Método (MEF) (Frías, E.; 2004)
Método de Elementos Finitos (MEF)
Módulos de trabajo
Post - procesado
Pre - procesado
Calculado
Donde se prepara el modelo para el cálculo en base a:
CAD.
Permite la representación gráfica de resultados generados por las soluciones
En base a una serie de pasos originadas, como son:
Geometría CAD, los análisis por elementos finitos se basan en una geometría definida el cual se da en una serie de procesos como son según figura 11:
Figura 11. Esquema geométrico del proceso de diseño (Peña, 2013)
Modelos de verificación dinámica
Modelos de elementos simplificados, los cuales se dan “en base a un cálculo dinámico de estilo cuasi estático, donde se deben incluir la influencia del endurecimiento del material con la velocidad de deformación variando las condiciones de carga” (Belhocine & Afzal, 2019).
Modelos mediante método multi-cuerpo, se dan “mediante cálculos empleados en modelos similares a los de barras y muelles no-lineales, empleándose una estructura suficientemente aceptable” (Belhocine & Afzal, 2019).
Modelos de elementos finitos detallados, en formulación explicita, se pueden “incluir desde superestructuras hasta los elementos del vehículo en función de la complejidad de los elementos detallados que se procede a manufacturar, realizando fases de diseño, ajustándose a la realidad y
el servicio técnico requerido, originando resultados aceptables y válidos para la homologación” (Corral, 2015).
Los modelos no lineales según Sánchez, Reyes & Vásquez (2015) más usados son:
No linealidad del material, esto se da cuando se deja de ser lineal la relación originada entre el esfuerzo y deformación.
No linealidad geométrica, se da comúnmente cuando se asocia irregularidades geométricas debido a cambios bruscos.
No linealidades en condiciones de frontera, se presentan cuando las cargas y limitaciones del movimiento son definidas por su posición, forma de aplicación, tipo de carga y magnitud.
El modelado de la estructura, en el proceso del modelado de la estructura según Cárdenas, Escudero, Quizhpi & Amaya (2014), son:
Figura 10. Estructura Convencional con tubo Cuadrado
Fuente: (Cárdenas, Escudero, Quizhpi & Amaya; 2014)
Figura 11. Propuesta Final con Tubo Circular
Fuente: (Cárdenas, Escudero, Quizhpi & Amaya; 2014)
La simulación estructural brinda ayuda a problemas relacionados con cargas producidas por componentes mecánicos, eléctricos, electrónicos, entre otros; permitiendo visualizar esfuerzos y deformaciones presentes en la estructura, ampliando el rango de opciones de simulación que permita controlar la complejidad del modelado, a través de una precisión deseada y tiempos computacionales, optimizando los diseños antes de proceder a la fabricación, con una alta precisión, diseños mejorados y parámetros críticos con una mejor percepción, en prototipos virtuales, iniciando con el croquis y modelado mediante el Diseño Asistido por Computadora (CAD), para posteriormente modelarlos a través de la Ingeniería Asistida por Computadora (CAE), aplicando las propiedades de los materiales utilizados (Garza, 2013).
El diseño asistido por computadora (CAD) en 2D y 3D, se basa en la precisión adquirida por modelos complejos del mundo real, donde la Ingeniería Inversa, depende de la segmentación ofertada por etapas, resaltando los procedimientos efectuados de datos, suavizando las superficies y registros múltiples en base a la integración de datos, con características adicionales que permitan eliminar irregularidades, creando una textura uniforme, en base a un pre procesado de simulación CFD, en base a parámetros simulados con dominio de estilo computacional, mallado y una solución óptima, obteniendo una confiabilidad adecuada lisa, debido a la complejidad limitada, en base a una propiedad de estilo física, con geometría y combinaciones de métodos
adecuados de estilo tetraédrico y hexacore, en base al refinamiento con una configuración prismática de cada capa límite como la indicada en la Figura 14. (Samaniego, 2018)
Figura 12. Configuración prismática (Samaniego, 2018)
El espacio de supervivencia es el espacio que debe quedar en el compartimiento de viajeros, ante un ensayo de vuelco, definiéndose también como el volumen, originado por la traslación longitudinal y transversal, donde se ubican los asientos ocupantes, como se observa en la Figura 15. (Donaire, 2016)
Figura 13. Espacio de Supervivencia (Donaire, 2016)
Teorías de fallas
Enriquez (2017), detalla que la Teoría de fallas se basa en la pérdida de función de elemento originados por deformación y por separación, dependiendo de la estructura microscópica de forma con enlaces atómicos, prediciendo la falla de materiales bajo cargas estáticas, modelando
diseños de elementos de máquinas de estilo confiable, generando cedencia bajo estados combinados de esfuerzos con criterios como:
Mallado
Para mallar un determinado elemento con el método del MEF, actúan los automalladores y preprocesadores, de estilo 2D, en forma de cuadrilateros lineales, dominantes o triángulos adicionales en las regiones definidas, mientras que en 3D operan los elementos de forma tetraédrico lineal para la estimación de esfuerzos aceptable, con una combinación de ladrillos de 8 nodos y cuñas de 6 nodos aumentado el tiempo del procesamiento, de estilo mixto cuando se originan geometrías de diferentes modelos como se indica en la Figura 14 (Cháfuel, 2017).
Figura 14. Mallado Mixto de la carrocería de un bus
Fuente: (Cháfuel, 2017)
Análisis de sensibilidad de las mallas, el análisis se procede para hacer frente a la precisión del mallado de una determinada variable frente a una estructura recomendándose las siguientes.
Tabla 1. Deformación equivalente
Fuente: (Cárdenas & Teixeira, 2017)
Morillo (2017), indica que el análisis por elementos finitos MEF, permite solucionar, inconvenientes o problemas generados en la ingeniería, a través de un software especializado, mediante el uso del Gestor de diseño, que permitan modificar las operaciones tridimensionales, en base a un croquis bosquejado inicialmente, existiendo tipos de malla variados, mediante una distribución de fuerzas originadas, como son:
Por lo que mediante el análisis por elementos finitos se observa el comportamiento de una carga continúa definida por esfuerzos en escala Von Mises, como se indican en la Figura 17, incrementándose a intervalos variables y desplazamientos generados a cargas máximas como se detalla en la Figura 18, así como el factor de seguridad mediante un diseño establecido y calculado como se observa en la Figura 19.
Figura 14. Esfuerzo sometido a Carga Máxima
Fuente: (Morillo, 2017)
Figura 15. Desplazamiento sometido a Carga Máxima
Fuente: (Morillo, 2017)
Figura 16. Factor de Seguridad sometido a Carga Máxima
Fuente: (Morillo, 2017)
El análisis de esfuerzos generados, se da con la ayuda brindada por un software de tipo CAE, a través de un mallado de estilo Tetraédrico, dividiendo en pequeñas áreas, en base a una calidad de estilo jacobiano, mediante puntos de anclaje y asignación de cargas, generando un análisis de esfuerzos máximos, el cual no debe superar el esfuerzo ultimo a la fluencia del material, evidenciándose factores de seguridad, resaltando los puntos críticos, resistentes con tendencia a fallar, con una deformación máxima originada, mediante un análisis estático establecido con parámetros de construcción definida inicialmente en conjunto con el croquis bosquejado (Pasquel & Quirola, 2018).
El procedimiento a seguir analíticamente o matemáticamente a una carrocería es:
En base a un análisis de estilo cuastiestático, se determinan los cálculos de cargas y pesos en función de la Norma Técnica Ecuatoriana NTE INEN 1323:2009, donde se estipulan:
Cargas Actuantes, como:
Carga viva (V)
V = v*g
Dónde: V = Carga generada por las personas (N); v = Peso originados por las personas (kg); g = Gravedad (9.8 "m" /"s" ^"2" )
Carga muerta (M)
M = m*g
Dónde: M = Carga generada por los materiales (N); m = Peso originados por los materiales (kg); g = Gravedad (9.8 "m" /"s" ^"2" )
Carga de giro (G)
Dónde: m = Peso de los materiales (kg); v = Peso de las personas (kg); Vel = Velocidad de la unidad recomendada por la Norma 1323:2009 = 90 Km/h; r = Radio de Curvatura (m); G = Carga de Giro (N)
Carga por Resistencia del Aire Frontal (Raf)
Cx= Coeficiente de resistencia aerodinámica recomendada por la Norma 1323:2009 (N) = 0.7; "ρ" = Densidad del aire (kg / m3); Af= Área de la proyección frontal de la unidad en (m2); V= Velocidad recomendada por la Norma 1323:2009 = 90 Km/h,
Carga de frenado (F)
F = mxa
Dónde: m = Peso de los materiales (kg); a = Desaceleración recomendada por la Norma 1323:2009 de Frenado = "4" "m" /"s" ^"2”, F = Carga de Frenado (N)
Carga de Aceleración Brusca (Ab)
Ab = -mxa
Dónde: m = Peso de los materiales (kg); a = Aceleración recomendado por la Norma 1323:2009 = "4" "m" /"s" ^"2”, Ab = Carga de Aceleración Brusca (N)
Combinación de cargas según el método recomendado que es el establecido como LRFD (Load Resistance Factor Design), los cuales son:
Con los resultados obtenidos se procede a analizar por el Método MEF, descrito anteriormente.
Una vez desarrollado el Modelado por el Método MEF, se procede a validar los resultados, mediante Modelos Matemático, descrito a continuación:
Según la Norma 1323:2009, indica que se deben alcanzar una deformación elástica de todos los componentes iguales o menores a 1/240 veces su longitud.
Otro factor a tener en cuenta según la Norma 1323:2009, es que debe resistir una carga estática sobre el techo, equivalente al cincuenta por ciento del peso máximo admisible para el chasis, distribuido uniformemente, en elementos que superen los setenta milímetros.
Mediante la Ley de Hooke se procede a establecer la deformación unitaria del material basada en la longitud real y el desplazamiento generado.
Los datos que tomamos de este registro son:
L = Longitud Calibrada; σ = Esfuerzo de fluencia; δ = Deformación; E = Modulo de Elasticidad; Et = Deformación Unitaria Teórica; Ec = Deformación Unitaria Experimental.
Mediante bibliografías útiles como Diseño de Elementos de Máquinas de Robert Mott y Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, nos basaríamos para determinar el Esfuerzo Máximo y el Desplazamiento donde intervienen la carga, la elasticidad del material, la Inercia, la Fuerza Cortante y el Momento Flector.
Donde:
C = Altura Media del Tubo; Ix = Inercia; V = Fuerza Cortante; M = Momento Flector; A = Área del Tubo; q = Carga distribuida; L = Longitud de la Viga; E = Elasticidad; Iy = Inercia; τ_máx = Esfuerzo de Cortante Máximo; σ_máx = Esfuerzo de Flexión Máximo; Y_máx = Deflexión Máxima
De igual manera se debe tener presente que el Factor de seguridad útil, originado por el MEF debe ser igual o mayor al recomendado para materiales dúctiles, establecidos en las bibliografías indicadas anteriormente, donde actúan la energía cinética y fuerza constante, en función de la densidad del Acero ASTM A36, y la Profundidad de Deformación.
Tipo de errores
Avilés (2017), indica que los errores existentes en el análisis de los elementos finitos se dividen en:
Errores de modelización, generados en cargas exteriores, condiciones de contorno y propiedades de los materiales.
Errores en la aproximación de la geometría, por falta de exactitud de modo real, aumentando la calidad del mallado con un mejor refinamiento.
Errores en la discretación, relacionadas de manera directa con el tamaño de los componentes en forma de nodos.
Errores de computación, debido a la integración generada sobre los componentes, aceptando un error limitado, por un truncamiento en la representación del ordenador
Optimización estructural
Optimización estructural, son procesos guiados por el método CAE (Ingeniería Asistida por Computadora), útil para ser utilizada en la etapa conceptual donde se dan, diseños innovadores, productos de mayor eficiencia y mayor rapidez en el proceso de modelado, logrando mejor desempeño con varias restricciones como la cantidad de material, esfuerzo máximo, el desplazamiento, entre otros, debido a los recursos materiales originados por el impacto ambiental y la competencia tecnológica, en función de variables definidas de diseño en base a las densidades estipuladas con una combinación lineal de vectores ejecutadas, como se detalla en la Figura 20 (Pozo, 2014)
Por lo que la optimización estructural topológica se da en base a una técnica matemática de una distribución de materiales para un conjunto de cargas y restricciones lineales, basadas en la suposición de cada elemento de densidad variable, definiendo las propiedades de los elementos, dimensiones y espesores de un componente mecánico ideal (Pozo, 2014).
Figura 17. Diseño de un componente mediante optimización estructural
Fuente: (Pozo, 2014)
Simulación del modelo matemático
La simulación del modelo matemático, según Gómez (2018), básicamente se da en base a tres tipos que son:
Static Structural, permite “el análisis de fuerzas axiales y de corte, así como los de esfuerzos, deformaciones y desplazamientos mediante la aplicación de cargas definidas estáticamente, en base a diferentes contactos utilizados a través de un coeficiente de fricción, y las condiciones de fronteras analizadas” (Gómez, 2018).
Modal, permite “la determinación de características dinámicas, en base a sistema definido en forma de frecuencias naturales, factores de amortiguamiento y de nodos de un elemento definido” (Gómez, 2018).
Rigid Dynamics, permite “la creación de diferentes juntas de diferentes componentes que no permitan la separación de la simulación producida y generada por la fuerza definida y establecida, en base a diferentes condiciones no lineales, definidas con un mallado aceptable” (Gómez, 2018).
Tipos de Problemas
Militello & Guadalupe (2013), los problemas físicos ejecutados, que pueden originarse son:
Limitaciones de los elementos
Las limitaciones de los elementos dados, durante la manufacturación de los autobuses son la utilización de perfiles tubulares de sección hueca, cuadrada o rectangular que tengan resistencia mecánica aceptable, con dimensiones apropiadas y una geometría regular considerable, utilizándose uniones simples formadas por dos o tres perfiles perpendiculares entre sí, como las indicadas en la Figura 21, ofertando una rigidez mayor con uniones complejas relacionadas con los aspectos brindados de manera práctica con tres elementos independientes, con una estimación de una estructura modelizada rígidamente, con análisis de fatiga mayor a los nodales los cuales generan una sensibilidad grande tras la distribución de masa. (Badea, Alcala, Grimaldi, Ogando & Aparicio; 2015)
Figura 18. Correlacional entre dos modelos de uniones simples (a, b) y el equivalente modelo FEM (c)
Fuente: (Badea, Alcala, Grimaldi, Ogando & Aparicio; 2015)
Materiales estructurales útiles
Los materiales estructurales utilizados en la Industria Automotriz son:
Acero ASTM A36, es el material “más usado para la construcción de estructuras, con una aleación de hierro mínimo del 98%, con carbono en porcentajes menores del 1% y cantidades como, el manganeso, fosforo, azufre, sílice y vanadio en un porcentaje igual al anterior del 1%, presentando una gran resistencia a la intemperie, mejorando su soldabilidad, con un límite de fluencia de 3600 psi, con una resistencia a la tracción de 58000 psi, con una elongación en 2 pulgadas igual al 20” (Hidalgo, 2013).
Acero Inoxidable, es una “aleación de hierro y carbono, con un mínimo de contenido del 10.5% de cromo, resistente a la corrosión, aplicándose en estructuras definidas, manteniendo la apariencia del bus atractiva, con una carrocería fácil de reparar, evitando la corrosión del hierro
originado, ofreciendo una resistencia mecánica, propiedades higiénicas, resistencia a temperaturas elevadas y criogénicas (Hidalgo, 2013).
Aluminio, por su “baja densidad da una valoración de 2.7 g/cm3, por lo que se origina una gran resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas superiores, con un 46% más liviano, por lo que requerirán menor fuerza o potencia para moverse, reduciendo el ruido y vibración, absorbiendo energía cinética” (Hidalgo, 2013).
Carbajo & García (2014) en su proyecto de investigación, indican que se han realizado el análisis planteado mediante el modelado virtual en ANSYS por el Método de Elementos Finitos, de tipo modal y otro de tipo armónico semejante a la realidad, mediante grandes simplificaciones, donde se ejecutan resultados coherentes, determinando que los niveles de vibraciones que sufre el pasajero en la unidad de transporte no son de amplitud considerable, mediante el arranque generado de valores elevados en un determinado tiempo, cumpliéndose una frecuencia natural del 50% de disparo, siendo de 31.25 Hz, comprobándose la transmisibilidad entre el motor y la estructura menor al 40%, estableciéndose la función de respuestas a lo largo del eje longitudinal del autobús.
Beltrán & Garrido (2017), que permitió conocer la resistencia y deformación, mediante la aplicación de cargas sometidas a una operación definida, modificando la configuración geométrica logrando mayor eficiencia aerodinámica, siguiendo los lineamientos del RTE-043, cuyas herramientas, mediante el análisis de tipo CAE, realizando esfuerzos y cargas basadas en la norma INEN 1323:2009, donde dicha deformación elástica es menor a 1/240, simulando el impacto frontal según normativa internacional NCAP, analizando el comportamiento mediante el uso del software especializad CFD, estableciendo factores que intervienen en la carrocería, realizándose un prototipado en 3D de una escala de 1:200, los cuales son adecuados. Hernández (2016), con el proyecto de investigación analizó las Normas Técnicas de Estándares Nacionales e Internacionales para la simulación virtual, ejecutando un modelado en 3D en un sistema de estilo CAE, obteniendo datos que permiten evaluar y analizar las consideraciones mediante pruebas en la simulación, en base al diseño estructural según la norma NTE INEN 1323:2009, donde se determinó que ningún elemento invadió el espacio de supervivencia en base a resultados del Diagrama Deformación Plástica Efectiva Vs Tiempo, manteniéndose un valor constante de tiempo cero MPa, con un material adecuado permitiendo una absorción apropiada de energía de impacto, con un ensayo virtual, ubicándose el centro de gravedad CG, punto de impacto y el
valor del peso total del autobús, simplificándose el modelado 3D, mediante el uso de un SOLVER propicio.
Santos (2017), mediante el uso de un software, establecido con un paquete computacional de estilo dinámico no lineal, donde se determinó parámetros de simulación adecuados mediante una malla e 30 mm para toda la parte estructural, validando la obtención de un error del 0.3616% a través del método de la energía de Hourglass y del 3.87% con el método de comparación de una análisis físico de estilo conservador, proponiendo una enmienda en la Norma Técnica Ecuatoriana que incluya el ensayo de impacto frontal adecuado.
González (2013), con el proyecto de investigación permitió optimizar la características mecánicas y estructurales en base a consideraciones definidas como elementos finitos y el comportamiento de los materiales dentro del área elástica como herramienta de diseño, obteniendo un semi – chasis que sea capaz de soportar la carga muerta y viva promedio, con una estructura ligera, considerando aspectos dimensiones con parámetros normalizados, definiendo el cambio de geometría y ubicación de las secciones transversales, satisfactoriamente incrementándose 2.5 veces la carga viva, obteniéndose un desplazamiento del 13.22 mm, con un esfuerzo permisible del 298.11 MPa, absorbiéndose la problemática de no haberse dado una distribución de asientos iguales, con simulaciones adecuadas del 60% del peso bruto vehicular del límite definido, bajo condiciones críticas. Además Murillo (2018), valora la posibilidad de usar perfiles combinados en estructuras de autocares, protegiendo a los pasajeros en caso de vuelco, desarrollando una metodología adecuada, de manera precisa, caracterizando la influencia de las tolerancias dimensionales, en base a medidas establecidas, en un modelado de tipo paramétrico valorando su utilidad, del momento flector de los perfiles individuales, en base a estudios efectuados, considerando ensayos correlaciónales de régimen de tipo plástico o elasto-plástico, debido a los resultados originados, en base a fijaciones definidos de cada perfil.
Conclusiones y recomendaciones
El comportamiento estructural desde la simulación es suficiente y además se debe acudir a varios métodos que avalen la seguridad de los pasajeros y así ser satisfecho el modelo aplicado para su construcción.
Los factores relevantes de análisis como desplazamientos, deformaciones y factores de seguridad son útiles en una simulación apropiada para que se valide sus materiales y se muestre como estrategias de optimización.
De la definición de varios autores las condiciones de contorno se deben de cuidar de tal forma se garantice el grado de precisión de la simulación de la estructura y de forma similar su aplicación práctica.
Referencias
References
Referências
©2019 por los autores. Este artículo es de acceso abierto y distribuido según los términos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).