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30 dic 2016

OPTIMIZACIÓN PARAMÉTRICA DE CUERPO DE BIELA

Técnicas computacionales de optimización.

Si en el primer artículo abordamos las herramientas informáticas para el análisis y cálculo de elementos de máquinas en términos generales en esta ocasión vamos a dirigir nuestra atención a la parte de ingeniería asistida por ordenador (CAE). Para ello es necesario que comentemos las bases en que se fundamenta la optimización paramétrica y familiarizarnos con este término. Así pues, está basada en técnicas matemáticas y/o computacionales que permiten obtener el valor de distintos parámetros de un modelo prefijando el valor del resto y según un criterio predefinido, unas restricciones dadas y un comportamiento conocido en un entorno preestablecido.imagen-1

El caso práctico que se presenta es el de una biela de un motor de combustión convencional, en el cual se desea optimizar el cuerpo de la biela en cuanto al factor peso.

En primer lugar se obtendrá el modelo CAD a través de SolidWorks y posteriormente se exportará a ANSYS donde se realizará la optimización propiamente dicha.

Es necesario conocer con antelación la función que desempeña este componente en el grupo motor, los esfuerzos a los que está sometido y el por qué de la necesidad de esa optimización.

Grosso modo la biela es un elemento mecánico que se encarga de unir el pistón con el cigüeñal. Recibe del pistón la fuerza proveniente de la explosión del combustible y esa fuerza la transmite al cigüeñal por lo que hace de nexo de unión entre ambos componentes.

Durante su funcionamiento está sometida a esfuerzos de tracción, compresión y pandeo dependiendo de su esbeltez. Su diseño ha de ser robusto para soportar dichas solicitaciones.

La optimización se debe principalmente a que la reducción de masa nos va a derivar en un aumento de potencia considerable, con un mayor número de R.P.M alcanzable por el motor. A su vez esto nos puede ocasionar algunos inconvenientes tales como la pérdida de inercia mecánica en el motor.

Este trabajo se ha realizado durante décadas a base de reducir con trabajos de mecanizado (torno, fresadora, pulidora…) el peso de piezas de motores con el fin de incrementar la potencia. Esto conducía, en ocasiones, a obtener resultados indeseables tales como la rotura por fatiga de las piezas o la fractura frente a cargas estáticas.

formula

Con estas herramientas CAE podemos anticiparnos a estos factores que hemos comentado y ahorrar dolores de cabeza al ingeniero diseñador.

tabla

  1. Obtención del modelo CAD.
  2. Definición de parámetros a optimizar del modelo: En nuestro caso vamos a controlar el grosor del cuerpo de la biela. Éste va a estar relacionado con algunas de las cotas del modelo CAD.
  3. Exportación del modelo a ANSYS Workbench.
  4. Estudio estático: Definir sujeciones, mallado y solicitaciones.
  5. Control de parámetros de diseño. En este paso, se incorpora a controlar tantos parámetros como deseemos. Del estudio estático se escogen los parámetros de fuerza aplicada, momento resultante, reacciones resultantes, factor de seguridad, y masa.

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6.- Resultados del estudio estático.

optimización de biela

Análisis del factor de seguridad

optimización de biela

Análisis tensional

optimización de biela

Grado de deformación del cuerpo

7.- Una vez tenemos los resultados del estudio, comenzaríamos a modificar parámetro a parámetro (hay una opción automática). Aquí premia la creatividad del diseñador, ya que pueden controlarse tantos parámetros como se desee, es decir, que no hay un límite establecido.

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Se puede observar cómo se han ido modificando al azar parámetros con el fin de mostrar las diferentes posibilidades que tendríamos de diseño. Todo ello buscando, que no se nos olvide, reducir la masa y asegurando la fiabilidad del componente.

En los resultados podemos apreciar que hemos ido reduciendo la masa conforme modificábamos parámetros geométricos (todos ellos no afectan a la longitud, sino a su grosor) que, a su vez, nos mostraba el factor de seguridad para un futuro modelo con dichas características.

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En este estudio, se ha escogido controlar el factor se seguridad, ya que nos indica si dicha pieza sería capaz de resistir o no las solicitaciones con las modificaciones geométricas que hemos ido cambiando, así como el momento y la reacción respecto a donde iría atornillada mediante pernos al pie de la biela.

En definitiva, este caso es algo escueto (por la extensión que debe tener el artículo) porque puede ser ampliable y mas detallado como queramos. Es aplicable a cualquier pieza, componente, herramienta, utensilio… tal es el ejemplo, como si se desea optimizar la cantidad de material al fabricar un “clip” para sujetar folios, o cualquier cosa que se pase por la mente del diseñador.

AUTOR: JOSÉ FRANCISCO MARTÍNEZ NAVARRO

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