Análisis Estructural de un Chasis de un Vagón del Metro

Transcripción

1 Análisis Estructural de un Chasis de un Vagón del Metro Presentan: Alfonso Meneses Amador Dr. José Martínez T.

2 Índice Introducción Objetivo Metodología de Análisis Análisis y discusión de resultados Conclusiones

3 INTRODUCCIÓN El tren urbano de la ciudad de México tiene sus inicios el 4 de Septiembre de 1969 cuando fue inaugurada la parte de Chapultepec a Zaragoza de la Línea 1 a partir de esa fecha se expandió rápidamente hasta llegar a la construcción de la línea Buenavista-Ciudad Azteca (línea B) inaugurada el 30 de Noviembre del Km.de vías dobles, 269 trenes, 11 líneas de operación, 175 estaciones, 4.2 millones de usuarios transportados diariamente. Por todo lo anterior es necesario un análisis de los componentes del metro con uno de los medios mas especializados con los que se cuentan hoy en día (elementos finitos) ya que si tomamos en cuenta los millones de personas que hacen uso de este medio de transporte la confiabilidad del vehiculo toma dimensiones muy grandes. Unidad de Transporte Colectivo Metro: M R N N PR R N N M M.- Coche Motor con Cabina. N.- Coche Motor sin Cabina. R.- Remolque. PR.- Remolque equipado con Pilotaje Automático I

4 OBJETIVO Localizar y analizar los puntos donde se presentan mayores esfuerzos en el chasis del vagón tipo M del metro, por medio del paquete de computación Ansys. Todo esto con el objeto de recomendar una revisión mas frecuente y minuciosa en los puntos donde se encuentran los mayores esfuerzos en el chasis. I

5 2.- METODOLOGÍA DE ANÁLISIS En éste estudio se realizó el análisis de esfuerzos que se presentan en un chasis de carro tipo M cuando el vagón esta en funcionamiento. Para lo cual se siguió la siguiente metodología: Construcción del modelo geométrico de la estructura en un paquete de CAD. Exportación del modelo a Ansys. Realización de los análisis estático, modal en el paquete Ansys. Realización del análisis dinámico en el paquete LS-DYNA. I

6 2.1.- MODELADO DEL BASTIDOR DEL CHASIS DE BOGIE DEL METRO EN UNIGRAPHICS La pieza se diseñó en Unigraphics (Fig. 1). Fig. 1.- Modelo de bastidor de Truck del Conjunto Chasis de Bogie en Unigraphics. I

7 2.2.- EXPORTACIÓN DEL MODELO A ANSYS Se exportó el modelo hecho en Unigraphics hacia Ansys (Fig. 2). Fig. 2.- Modelo de bastidor de Truck del Conjunto Chasis de Bogie en Ansys. I

8 2.3 ANALISIS EN EL PROGRAMA ANSYS Análisis Estático Tabla 1.- Propiedades Mecánicas del Material. Acero estructural A-36 Módulo de Young 200 x 10 9 N/m 2 Módulo de Rigidez 79.3 x 10 9 Pa. Relación de Poisson 0.30 Resistencia de Fluencia 248 MPa. Densidad 7.85 x 10 3 Kg/m 3 Tabla 2.- Pesos a los que está sometido el chasis (kg). Vehículo M Vehículo N Vehículo R Descripción (Kg) (Kg) (Kg) Caja y Equipo 7,700 6,800 5,875 Motores*** 1,200 1,200 0 Usuarios** 8,560 9,000 11,345 ** La carga considerada fue de 700 Kg/m 2 (pasajeros). *** Cada Coche M cuenta con dos motores en cada bogie. I

9 El tipo de elemento que se utilizo para este análisis es SOLID45 y MASS21, con lo que obtenemos un total de elementos. Fig. 3.- Condiciones de frontera aplicadas sobre el Chasis. I

10 Análisis Dinámico. En este análisis se utilizó LS-DYNA, el cual se dividió en 3 partes: Arranque.- Velocidad Inicial = 0; Aceleración máx. = 1.2 m/s 2. Frenado.- Desaceleración nominal = m/s 2. Viraje a la derecha con freno.- Radio de la curva = 400m; Velocidad máx..= 75 Km/h Los elementos utilizados para este análisis son SHELL163, MASS166 con lo cual obtenemos un total de 3790 elementos.

11 Fig. 4.- Cargas y aceleraciones aplicadas sobre el Chasis.

12 Análisis Modal. Fig. 5.- Condiciones de Frontera del Chasis para el análisis Modal.

13 3.- ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS Resultado del análisis estático Resultado del análisis de arranque Fig. 6.- Esfuerzo de Von Mises en condiciones estáticas 29.2 MPa. 248 F. S. = = Fig. 7.- Esfuerzo de Von Mises en condiciones de arranque 36.2 MPa. 248 F. S. = =

14 3.3.- Resultado del análisis de frenado Análisis de Viraje a la Derecha y Frenado Fig. 8.- Esfuerzo de Von Mises en condiciones de frenado 46.1 MPa. 248 F. S. = = Fig. 9.- Esfuerzo de Von Mises en condiciones de Viraje a la derecha y frenado 47.8 MPa. 248 F. S. = =

15 3.5.- Análisis Modal Fig.10.- Modo 1 de vibración de la estructura ( Hz). Fig.11.- Modo 2 de vibración de la estructura ( Hz).

16 Fig.12.- Modo 3 de vibración de la estructura ( Hz). Fig.13.- Modo 4 de vibración de la estructura ( Hz).

17 3.6.- Resultados de las frecuencias y esfuerzos de Von Mises en Ansys. Tabla 3.- Frecuencias de los modos naturales de vibración. MODO FRECUENCIA (Hz) Tabla 4.- Esfuerzos De Von Mises. ANÁLISIS Estático ESFUERZO DE VON MISES ( σ ) 29.2 MPa Arranque Frenado Viraje y Freno 36.2 MPa 46.1 MPa 47.8 MPa

18 3.6.- Validación del análisis modal Fig Análisis modal experimental al chasis Fig Grafica de frecuencias naturales obtenidas con CSI 1910

19 4.- CONCLUSIONES Los esfuerzos de Von Mises se encuentran localizados en la parte donde el chasis soporta el peso de la caja y el equipo, por lo que si se llega a realizar una reparación cerca de estos puntos, tiene que hacerse un análisis exhaustivo para llevarla a cabo. Los factores de seguridad son confiables en todos los casos. El modelo en el paquete Ansys se considera confiable, ya que en el análisis modal se obtuvieron frecuencias naturales muy cercanas a las experimentales. Es muy difícil que el chasis entre en resonancia, puesto que su frecuencia natural se encuentra muy por encima de la frecuencia de operación del sistema. I

20 Fig. 5.- Modelo exportado hacia Adams. Fig. 6.- Modelo de la simulación dinámica en Adams.

21 Gracias por su atención.