2.1- Establecimiento de los modelos de la geometría, las cargas y los materiales del chasis rectangular de largueros.
Teniendo en cuenta la complejidad y responsabilidad del bastidor en la estructura del ómnibus y la falta de experiencia en la fabricación del mismo en nuestro país, la problemática a resolver en el presente trabajo radica en constituir el modelo en tres dimensiones del chasis rectangular perteneciente a la propuesta de ómnibus cubano desarrollada por el Centro de Investigación y Desarrollo del Transporte CID DCM TRANS. Se le dará solución a dicha problemática estableciendo el modelo de las cargas, el de la geometría con las simplificaciones que se hagan necesarias por su carácter práctico e irrelevante en cuanto a afectación de los resultados y el del material con que está conformada la estructura en cuestión; lográndose de esta manera la modelación fisicomatemática y la simulación del comportamiento mecánico del bastidor a través del software SAP 2000 versión 12, que tiene como base el empleo del Método de los Elementos Finitos.
El programa de computación SAP2000 versión 12 dispone de una biblioteca de los distintos tipos de elementos que se pueden emplear para establecer la geometría. Además, es capaz de realizar el análisis de estructuras compuestas con elementos tipo cascarón y placas tridimensionales, así mismo puede realizar el diseño de estructuras de marcos. Cuenta con un pre y post-procesador gráfico para la visualización de los resultados numéricos mediante gráficos que ayudan en gran medida a la interpretación del problema real permitiendo una vez conformado el modelo, comprobarlo gráficamente, realizarle el análisis y diseño; revisar, ordenar y buscar los valores significativos de los resultados obtenidos para realizar un reporte, incluso considerando por separados los materiales componentes de la estructura y los tipos de elementos que componen el modelo.
En este capítulo del trabajo se abordarán todos los aspectos referentes a la implementación de los modelos de la geometría, los materiales y las cargas para las partes de interés en la estructura objeto de estudio.
2.2- Descripción del chasis rectangular o de largueros.
Es similar al utilizado en el vehículo ZIL-130 de fabricación rusa, está formado por dos largueros seccionados al no existir la posibilidad de conformarlo en toda su extensión de diez metros. Contiene seis travesaños cuya ubicación se adecuó en correspondencia con los puntos de apoyo de la transmisión cardánica, teniendo en cuenta la peculiaridad del bastidor de ser dividido y con las particularidades del motor empleado.
Figura-2.1: Sección transversal de los largueros. Figura- 2.2: Sección transversal de los travesaños
Durante el proceso de modelado y simulación con herramientas informáticas de la maqueta desarrollada por el CID DCM TRANS perteneciente al Ministerio de las Fuerzas Armadas Revolucionarias, se ubicó el motor en la parte delantera del ómnibus, soportado en cuatro puntos de apoyo. Los resultados obtenidos indicaron la necesidad de desarrollar estudios de factibilidad de fabricación del ómnibus con motor trasero, por tanto, esa será la ubicación valorada en el presente trabajo.
Los perfiles que conforman el bastidor serán de acero 1513, según ensayos realizados en laboratorios del CIDAI este material presenta propiedades mecánicas y de manufactura adecuadas, además de una excelente soldabilidad y plasticidad durante el tratamiento en frío. Una vez conformados los elementos se les da tratamiento superficial anticorrosivo, por un procedimiento electrolítico. Se le proporciona además un pintado de protección final. (Casanova Fonseca, 2014)
Los largueros, los travesaños y las chapas de refuerzo se unen por medio de remaches, soldadura por puntos y a veces con tornillos, constituyendo una sólida estructura, capaz de soportar las cargas que le imprimen los elementos que se apoyan en él y las vibraciones que se producen en la marcha del vehículo. Este tipo de bastidor es sumamente rígido, lo cual lo hace ideal para el transporte de grandes cargas. Una característica importante es el fácil acceso a los órganos mecánicos del rodado.
Figura-2.4: Uniones empleadas en el bastidor.
Figura-2.5: Esquema de un chasis rectangular o de largueros.
1. Largueros. 2. Travesaños.
3. Soporte de cabina o carrocería. 4. Soporte de batería.
5. Soporte depósito de combustible. 6. Soporte de amortiguación. 7. Gancho de remolque o soporte. 8. Soporte de rueda de repuesto. 9. Topos de caucho.
10. Soportes de ballestas. 11. Soportes del paragolpes.
2.3- Análisis para la implementación del modelo geométrico.
Debido a que el chasis está conformado por perfiles de espesor muy pequeño respecto a sus otras dos dimensiones el modelo se realizó empleando elementos tipo Shell. Esto permite, tomando en cuenta las propiedades del material, analizar las solicitaciones en las dos direcciones significativas de los elementos sin hacer énfasis en el estado tensional que se genere en el interior de las planchas.
Figura-2.6: Interface del programa en que se definen los elementos tipo Shell.
Puesto que en el vehículo a modelar se presentaron algunas zonas de complejidad geométrica, se hizo necesario realizar algunas modificaciones respecto a la estructura real del chasis que constituyeran simplificaciones a la misma, teniendo en cuenta además, que siempre fueran cambios irrelevantes desde el punto de vista estructural y que no afectaran los resultados finales.
Una de estas modificaciones se realizó en el quinto travesaño de la estructura, este elemento tiene como peculiaridad una abertura en forma de semicírculo en cuyo borde de forma perimetral contiene una placa metálica. Esto resultó un poco engorroso de representar debido a que el SAP 2000 no está concebido para este tipo de estructuras, donde la geometría se hace compleja.
De forma similar sucedió con los orificios que se encuentran en los travesaños que están destinados para las uniones mediante tornillos: originalmente eran de forma circular y fueron sustituidos por otros de configuración rectangular o cuadrada con dimensiones y posiciones semejantes. Motivado esto por las características particulares del SAP 2000 que se explicaban anteriormente y por la necesidad de facilitar el proceso de discretización que, en algunos casos, se torna complejo.
El chasis rectangular o de largueros respecto a su eje longitudinal es simétrico, lo cual significó una gran ventaja, pues permitió utilizar la herramienta MIRROR (espejo) que brinda el SAP 2000 y así solamente hubo necesidad de introducir los datos de la geometría y realizar la discretización de una sola mitad del vehículo. Luego de haber terminado esto se aplicó dicha herramienta, quedando conformado el modelo con los largueros y travesaños en su totalidad.
2.3.1-Conformación del mallado de la geometría.
Para el análisis de la estructura del chasis, se hace necesario discretizar la misma completamente ya que se utiliza el método de los Elementos Finitos, método mediante el cual el medio continuo queda dividido por un número finitos de nodos que interconectan los elementos finales, puntos estos en los que actúan las resultantes de los sistemas de cargas que solicitan al medio. Donde las condiciones así lo permitieron se emplearon elementos rectangulares como componentes de la malla, realizándose de manera equitativa con elementos de aproximadamente 1cm².
Investigaciones precedentes (Cobelo, 2004; Ibáñez, 2000; Simanca, 1999) relacionadas con la temática de modelación, han tratado detalladamente el proceso de mallado e inclusive, recomiendan una serie de aspectos importantes a tomar en consideración a la hora de establecer este procedimiento, dentro de los que sobresalen:
Debe reducirse al máximo el tamaño del modelo, para ello es válido el uso de simplificaciones por simetría, siempre y cuando sean compatibles con el problema físico (geometría, condiciones límites, cargas).
El mallado debe ser progresivo para optimizar el rendimiento, más denso en aquellos puntos donde interesa tomar resultados y menos denso donde se aleja de la zona de interés.
Los elementos de mayor tamaño son generalmente colocados en las zonas menos solicitadas cerca de las fronteras exteriores. No hay reglas precisas para establecer el tamaño de los elementos, es suficiente recomendar un aumento progresivo y regular lejos de las zonas sensibles.
Los elementos rectangulares son más precisos que sus homólogos triangulares para el mismo número de grados de libertad; no obstante, los triangulares son más versátiles en la discretización de geometrías complejas (Oñate, 2005).
En los componentes del bastidor que contienen orificios para diferentes prestaciones se emplearon elementos triangulares en la discretización debido a las características geométricas de los mismos.
Figura-2.8: Componente del bastidor en que se emplearon elementos triangulares en la discretización.
2.4 -Condiciones de frontera.
Este tipo de chasis se apoya sobre cuatro muelles ballesta del tipo semi-elíptica, dos en la parte delantera y dos en la parte trasera. Se realizaron dos corridas con diferentes condiciones de apoyo con el fin de poder determinar la influencia del sistema de amortiguación en el comportamiento mecánico de la estructura. Para un análisis estático se emplearon apoyos clásicos dispuestos de la siguiente forma: en la unión delantera se permite sólo la rotación alrededor del eje y, el resto de las traslaciones y rotaciones están restringidas. En la unión trasera se permite solo la traslación en el eje
Figura-2.9: Interfaz del programa en que se definen los apoyos convencionales.
Para el análisis con vínculos no convencionales se emplearon muelles cuya rigidez fue determinada calculando la contante elástica (K=
σ
/ l) a partir de un análisis de las tensiones existentes en las zonas de apoyo y permitiendo desplazamientos en la dirección del eje z. Es importante aclarar que para este tipo de análisis de la estructura se restringieron los desplazamientos en el plano xy para evitar que el programa considerase desplazamientos infinitos en estas dos direcciones.2.5 -Análisis para la implementación de los modelos del material
La simulación de las propiedades del material, es un aspecto esencial en los modelos creados. La estructura tratada en el presente trabajo está constituida de acero 1513, material que presenta un dominio elástico muy amplio por lo tanto se considera que su comportamiento será lineal-elástico. Dentro de este modelo los parámetros fundamentales considerados fueron el coeficiente de Poisson y el módulo de elasticidad (E).
Densidad media del acero 1513 (γ ) = 78.49 kN/m3
Módulo de elasticidad del acero 1513(E) = 1.824 x 108 kN/m2 Coeficiente de Poisson( ) = 0.3
Coeficiente de dilatación térmica = 1.170 x 10-5 C0-1
El chasis rectangular o de largueros, como se mencionaba anteriormente, es una estructura destinada a dar fortaleza y estabilidad al vehículo en diferentes condiciones, además de sujetar los componentes mecánicos más importantes como el motor, la suspensión, el sistema de escape y la caja de cambios.
El bastidor del chasis para pasajeros es diseñado y fabricado con aceros de alta resistencia que permiten soportar elevadas cargas de tracción-compresión, flexión y torsión. Dichos aceros ofrecen
una rigidez adecuada en la zona destinada al habitáculo, todo ello permite que en un caso de impacto el chasis absorba fácilmente cargas estáticas y dinámicas. Con el objetivo de garantizar las propiedades mecánicas y de manufactura al material que conformará los perfiles, en este caso, láminas de acero 1513 de 6 mm de espesor, se efectuaron una serie de pruebas metalográficas y análisis en laboratorios del CIDAI.
Tabla- 2.1: Propiedades mecánicas del acero 1513.
Tabla-2.2: Propiedades de manufactura del acero 1513.
Estas propiedades del material se definen en el modelo realizado en el SAP2000 versión 12, incluyendo el espesor de las láminas mencionado anteriormente; a continuación se muestra la interface del software donde se definen dichas propiedades.
2.6- Análisis para la implementación de los modelos de las acciones
Para poder establecer los modelos de las cargas se tuvieron en cuenta todas las acciones que de una manera u otra incidieran en la estructura e introdujeran esfuerzos y deformaciones. Dichas acciones se dividieron según su naturaleza en: acciones permanentes y acciones temporales.
2.6.1-Acciones permanentes
Se consideran acciones permanentes que actúan sobre el bastidor, el peso del motor y la caja reguladora de velocidad, que se encuentran en el último tercio del chasis, el peso de las baterías para el funcionamiento del sistema eléctrico del vehículo, el peso del tanque de combustible lleno, estos dos últimos ubicados en el segundo tercio. Además, se debe considerar el peso de la carrocería y todos los elementos que se encuentran dentro de esta, por último, el peso propio de todos los elementos que conforman la estructura del chasis. Estas acciones se modelaron como carga muerta distribuida uniforme ya que el programa posee la opción de modelarlas en elementos tipo Shell, con la selección del área donde se encuentran ubicadas se le introducen los valores de carga en la dirección correspondiente.
Peso del motor y la caja reguladora:
El motor se encuentra ubicado en el último tercio del bastidor, la caja reguladora de velocidad se encuentra en el primer tercio. Se apoyan en seis puntos a los largueros, cuatro para el motor y dos para la caja.
Peso del motor = 5.5kN Peso de la caja= 1.05 kN
Peso total a distribuir por apoyos del motor = = 38.19kN/
Peso total a distribuir por apoyos de la caja =14.6kN/
Peso de las baterías y tanque de combustible:
Una batería de 175 amperes con 12 litros de solución pesa aproximadamente 0.23 kN. Teniendo en cuenta que el motor funciona con 24 Volts, entonces se necesitaran dos baterías.
Peso de las baterías = 0.46 kN
El tanque de combustible tiene una capacidad de 120 litros, se supone lleno para realizar el análisis de mayor criticidad. Ambos elementos se encuentra apoyados en dos puntos per cápita al larguero izquierdo de la estructura del chasis.
Peso del tanque lleno = 1.2kN
Peso total a distribuir por apoyos de las baterías 9.6kN/
Peso total a distribuir por apoyos del tanque = Peso de la carrocería:
La estructura metálica del piso, columnas y techo del vehículo serán fabricados de angulares y perfiles de diferente geometría y forma de acuerdo a su responsabilidad. El revestimiento, el frente y el fondo de la carrocería serán los mismos que los empleados en el ómnibus Diana (Casanova Fonseca, 2014). Igualmente se emplearán los asientos y ventanillas de este ómnibus. La estructura de la carrocería se apoyará sobre una estructura de angulares soldada a los largueros del bastidor ubicados de forma transversal al eje del vehículo.
A continuación se detallan todas las cargas muertas de la carrocería que actúan sobre la estructura del chasis.
Estructura y chapa: 17.05kN Asientos: 1.80kN
Peso total de la carrocería =18.85
Peso total a distribuir sobre los largueros Peso propio del chasis:
La asignación de peso propio del equipo en el software fue mediante la herramienta Área Gravity Load, la cual asigna el peso propio dependiendo de las dimensiones de las planchas, el espesor de estas, así como las características del material.
Figura-2.11: Interface para la introducción de la carga permanente producto del peso propio del equipo.
2.6.2 -Acciones temporales.
Se definieron como acciones temporales las cargas originadas por los pasajeros. El proyecto inicial concibe un total de trece personas en las diversas áreas de parados y la ubicación de veintisiete asientos. Tomando en cuenta que en disímiles ocasiones los ómnibus transportan mayor cantidad de personal que lo establecido, se realizará también una combinación en la que se considera ocho personas por metro cuadrado, el doble de lo que se encuentra instituido en las normas que es cuatro personas por cada metro cuadrado. El ómnibus tendrá aproximadamente cinco metros cuadrados como área de parados, por lo que, en situaciones excepcionales transportará cuarenta personas de pie. Al igual que el peso de la carrocería esta carga viva se distribuirá en los largueros. Se considera para la obtención de dichas cargas el peso promedio de una persona de 0.75kN.
Peso de personas en elementos de apoyo = 21.0kN Peso de personas en área de parados = 9.75kN Sobrepeso de personas en área de parados = 30.00kN Peso total de personas =30.75kN
Peso total de personas teniendo en cuenta la sobrecarga de personal =51kN Peso total a distribuir sobre los largueros=
Peso total a distribuir sobre los largueros si ocurre sobrecarga=
Figura-2.12: Forma de la interface para la introducción de la carga temporal.
2.6.3 -Combinaciones de carga.
Producto de la gran variedad de estados en que puede encontrarse el chasis rectangular o de largueros, se definieron las combinaciones que representan los estados más críticos para la estructura. Una primera combinación que asume la incidencia solo de las cargas muertas sobre el chasis (CM); la segunda combinación que toma las afectaciones por carga muerta y carga viva (CV) y una tercera combinación que asume los efectos de las cargas muertas y cargas vivas pero
considerando que se produzca sobrecarga de personal en el área de parados como se explicó anteriormente en el epígrafe 2.6.2 Acciones temporales.
Combinación 1: U = CM Combinación 2: U = CV+CV
Combinación 2: U =CM+SOBRECARGA
Figura-2.13: Interfaz del programa en que se definen las combinaciones de carga empleadas.
2.7- Conclusiones parciales.
Para realizar el modelado de la geometría se contó con los planos elaborados en el INVENTOR por especialistas del CID – 4, las cargas fueron modeladas e introducidas al programa partiendo de datos conocidos de estudios anteriores, significando esto junto al modelo del material la base para la modelación y el cálculo de la estructura analizada.
El chasis modelado es similar al utilizado en el vehículo ZIL-130 formado por dos largueros seccionados al no existir la posibilidad en nuestro país de conformarlo en toda su extensión de diez metros y seis travesaños cuya ubicación se adecuó en correspondencia con los puntos de apoyo de la transmisión cardánica, teniendo en cuenta la peculiaridad del bastidor de ser dividido y con las particularidades del motor empleado.
El modelo fue discretizado, en su mayoría, empleando elementos rectangulares, solo fue empleada la discretización triangular en los elementos que contienen aberturas circulares o semicirculares. El modelo quedo dividido en 76039 puntos y 73521 elementos tipo Shell.
Se emplearon apoyos clásicos para el análisis estático de la estructura y vínculos no convencionales para determinar el efecto de la amortiguación en el bastidor.
Se considera que el material que conforma la estructura tratada en el presente trabajo tiene un comportamiento lineal-elástico.
Se tuvieron en cuenta todas las acciones que de una manera u otra incidieran en la estructura e introdujeran esfuerzos y deformaciones, empleándose además de la combinación de acciones permanentes y acciones temporales una combinación especial en la que se considera una sobrecarga de pasajeros en el ómnibus.
Problema Real
Chasis rectangular
Modelo de
las Cargas Modelo de la
Estructura C Condiciones de Frontera
Problema Real
Chasis rectangularModelo de
las Cargas
Modelo de la EstructuraCCondiciones de Frontera Modelo del Material Acero 1513 Comportamiento lineal- elástico
Solución del Modelo del Problema Real
Técnicas de solución numéricas SAP 2000 v 12.0.0
Análisis de Resultados
-Evaluación del comportamiento de la estructura producto de la influencia de las condiciones de carga.
Análisis de Resultados
-Determinación de posición idónea para las uniones en los perfiles.
Capítulo 3: Análisis de los resultados de la modelación estructural del chasis.