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14 jul 2016

SIMULACIÓN CON SOLIDWORKS DE BUGGIE DE COMPETICIÓN

CREACIÓN DEL ENTORNO DE SIMULACIÓN CON SOLIDWORKS

Seguro que te suena el término “buggy” o “buggie”. En sus primeras apariciones se trataban de automóviles fabricados a nivel personal como hobby allá por los años 50 en California para pasear por las playas. A principios de los años 70, comienzan a aparecer modelos fabricados completamente con chasis tubular destinados ya al mundo de la competición. Esto hace que comiencen a utilizarse los chasis tubulares en vehículos mono y biplaza.

Esta estructura de la que hablamos ofrece unas características mecánicas tales como una mayor rigidez trabajando a tracción y compresión. La estructura  está formada por perfiles tubulares soldados entre sí. Actualmente siguen siendo la base de la gran mayoría de vehículos de competición (prototipos, no vehículos derivados de producciones en cadena).

Herrator V8 Dakar

SIMULACIÓN CON SOLIDWORKS DE BUGGIE: Herrator V8 Dakar

Es por ello que nos vamos a centrar en una parte vital que constituye parte del conjunto del chasis:  las estructuras de seguridad o jaulas para la categoría denominada Buggies Especiales TT.

El chasis es una de las partes más significativas del vehículo, ya que todo el diseño posterior del vehículo va basado a partir del diseño de la estructura principal de éste, toda la elección de equipamiento del vehículo al igual que el posicionamiento de los componentes estará condicionado por el chasis. Además, es la estructura que sostiene y aporta rigidez a todo el conjunto de un vehículo y, por lo tanto, de él se deriva la estabilidad, el dinamismo y el comportamiento final en funcionamiento.

Pues bien si esa es la función del conjunto global del chasis, la jaula de seguridad será la encargada de proteger a los ocupantes del vehículo ante una adversidad.

El caso práctico que se propone está orientado a una iniciación en la simulación con software basado en estudio por elementos finitos, en el cual el usuario debe de ser capaz de aunar el diseño mecánico, el cual comprende desde la resistencia de materiales a la ergonomía del vehículo pasando por la funcionalidad del diseño,  con la normativa vigente referente a estos vehículos.

La normativa a la que vamos a recurrir es la establecida por la Real Federación Española de Automovilismo (RFEdA): Reglamento de Homologación de Estructuras de Seguridad ante la RFEdA.

El modelo de estructura que vamos a utilizar deriva de un modelo educacional accesible a cualquier usuario y será al que aplicaremos el caso práctico.

 Modelo SOLIDWORKS

MODELO DE SIMULACIÓN CON SOLIDWORKS DE BUGGIE

Diferenciando en él las partes de la jaula de seguridad que se van a someter a pruebas estáticas encontramos:

  • Arco principal de seguridad y delantero.
 SIMULACIÓN CON SOLIDWORKS DE BUGGIE

Imagen del arco principal y delantero de la estructura del chasis

 

  • Semiarco lateral y refuerzos laterales. (azul y rojo respectivamente)
 SIMULACIÓN CON SOLIDWORKS DE BUGGIE

Imagen del semiarco lateral y refuerzos de la estructura del chasis

 

Hipótesis para análisis estático:
  • Peso del vehículo: 1500kg (sin ocupantes ni combustible)
  • Cargas a aplicar: Vertical (Semiarco principal), Frontal (Semiarco lateral) y Lateral (Refuerzos laterales).

 

Las magnitudes de estas cargas serán:

  • Carga Vertical: 7,5·Peso del vehículo + 150kg de carga adicional.
  • Carga Frontal: 3,5·Peso del vehículo + 150kg de carga adicional.
  • Carga Lateral: 3,5·Peso del vehículo + 150kg de carga adicional.

  • Configuración

Las pautas para cualquier simulación a cargas estáticas son prácticamente las mismas, aún no siendo el mismo software con el que trabajemos.

  • Definición del material:

En nuestro caso aplicamos el material a todo el sólido. Un acero estructural S355, recomendado por la norma.

ASIGNACIÓN DE MATERIALES

SIMULACIÓN CON SOLIDWORKS DE BUGGIE: ASIGNACIÓN DE MATERIALES

  • Definición de las condiciones de contorno:

Se debe restringir el movimiento de la estructura en todos los grados de libertad de cada punto de fijación al chasis. Tomamos las juntas del suelo de la jaula como apoyos fijos.

 sujeciones DE UN BUGGIE

SIMULACIÓN CON SOLIDWORKS DE BUGGIE: DEFINICIÓN DE SUJECIONES

  • Solicitaciones externas:

Debemos aplicar la carga allá donde nos interese. En nuestro caso en los 3 ensayos se trata de una carga uniformemente distribuida, sobre las 3 partes detalladas anteriormente.

Además, hemos de tener un plano de referencia y, a su vez, orientar la carga en el sentido correcto mediante las opciones.

Imagen solicitaciones

SOLICITACIONES APLICADAS AL CHASIS

  • Creación de la malla del modelo:

Dependiendo del tamaño de la malla, tendremos más o menos nodos (puntos de unión entre tetraedros) en la estructura para analizar. Un mayor número de nodos también hace que el cálculo sea más lento aunque se gana en precisión.

MALLADO DEL MODELO

SIMULACIÓN CON SOLIDWORKS DE BUGGIE: MALLADO DEL MODELO

 

  • Ejecución del análisis:

Una vez tenemos todo definido, y sin errores, procedemos a ejecutar. Se obtendrán los resultados de tensiones y deformaciones, pudiendo añadir a éstos otros tales como el factor de seguridad.

  • Resultados

  • ESTUDIO CARGA VERTICAL

 

  • Tensiones (Criterio: Von Mises)
imagen tensiones carga vertical

Resultados de cálculo: tensiones carga vertical

Resultados de cálculo: desplazamientos verticales

Resultados de cálculo: desplazamientos verticales

  • Factor de seguridad.
imagen factor de seguridad carga vertical

Resultados de cálculo: factor de seguridad de carga vertical

  • ESTUDIO CARGA LATERAL

 

  • Tensiones (Criterio: Von Mises).
imagen tensiones carga lateral

Resultados de cálculo: tensiones carga lateral

imagen desplazamientos carga lateral

Resultados de cálculo: desplazamiento debido a carga lateral

  • ESTUDIO CARGA FRONTAL

 

  • Tensiones (Criterio: Von Mises).
Imagen carga frontal tensiones

Resultados de cálculo. Tensiones debidas a carga frontal

 Desplazamientos debidos a carga frontal

Resultados de cálculo. Desplazamientos debidos a carga frontal

Se observa que en ninguna de las 3 pruebas que se realizan, la estructura soporta las cargas que se aplican sobre ella. Estamos ante una informalidad con la norma y, por tanto, con el diseño.

Se superan las tensiones límite ya que se supera el límite elástico del material así como las deformaciones, las cuales no pueden ser superiores a 50mm medidas en cualquier dirección.

De ahí la destreza del ingeniero, que debe de ser capaz de buscar una solución ante este incumplimiento de la norma. La solución pasa por rediseñar la estructura de seguridad, añadiendo refuerzos o rigidizadores a la misma y cambiando el diámetro y espesor de los tubos. También sería conveniente añadir dos tirantes a los semiarcos laterales.

  • Posibles soluciones de diseño

3.1) Refuerzo en cruz de la jaula de seguridad y tirante en el semiarco lateral.

imagen SOLUCIÓN AL DISEÑO

SIMULACIÓN CON SOLIDWORKS DE BUGGIE: SOLUCIÓN AL DISEÑO

Espero que este artículo os haya permitido comprender un poco mejor cómo se efectúa una simulación estructural. En este caso se trata de un móvil articulado como es un Buggie de competición (en este caso particular se ha realizado la simulación con Solidworks, uno de tantos programas que permiten este tipo de cálculos en ingeniería mecánica) aunque la forma de proceder y la filosofía de diseño, cálculo y comprobación es similar a otros proyectos de maquinaria o, incluso, de edificación (salvando  los cambios normativos acorde al proyecto concreto de que se trate).

AUTOR: JOSÉ FRANCISCO MARTÍNEZ NAVARRO

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