confirman que existe la necesidad de estudiar la seguridad en los vehículos de transporte

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María Rosa Zúñiga Escobar
hace 6 años
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2 Las diversas estadísticas hechas a nivel mundial confirman que existe la necesidad de estudiar la seguridad en los vehículos de transporte público, úbli asíí como de d elaborar l b estrategias t t i para su mejora. En esta ocasión se realizaron pruebas de evaluación de seguridad a la estructura del vehículo presentado en este trabajo, se muestra ell potencial i l y la l mejora j que pueden d conseguirse i con la introducción de técnicas de análisis g estructural de vanguardia.

3 Determinar la resistencia estructural que se presenta en estos vehículos en condiciones de servicio. Para cumplir p amplia p y satisfactoriamente con dicho objetivo se aplicaron técnicas modernas de Análisis Experimental de Esfuerzos y de Análisis de Solución Numérica. Numérica

4 La investigación para el diseño y análisis de carrocerías requiere de nuevos métodos, más modernos y precisos que aporten seguridad calidad y eficiencia a las nuevas estructuras vehiculares. Por tal motivo los métodos utilizados en esta ocasión son: Estudio de Solución Numérica. Análisis Experimental de Esfuerzos, en particular la técnica de Extensometría Eléctrica.

5 Antes de comenzar el estudio de solución numérica se analizarán los esfuerzos residuales en secciones críticas del la estructura del vehículo; estos esfuerzos influyen en la resistencia a la fatiga de los metales, cualquier tratamiento de mecanizado o modificación superficial produce esfuerzos residuales. Por lo tanto, conocer la magnitud de estos permite mejorar los parámetros de mecanizado para favorecer la resistencia a la fatiga. Los esfuerzos f residuales de compresión p mejoran j la resistencia a la fatiga. Los esfuerzos residuales de tracción reducen la resistencia a la fatiga.

7 Tabla 1. Esfuerzos residuales Esfuerzo σ, MPa. Esfuerzo σ, MPa. Esfuerzo σ, MPa. Esfuerzo σ, MPa. Esfuerzo σ, MPa. Roseta 1 Roseta 2 Roseta 3 Roseta 4 Roseta 5 Máx Min. Máx Min. Máx. Min Máx. Min. Máx. Min

8 Cont Cont Tabla 1 Esfuerzos residuales experimentales Esfuerzo σ, MPa. MP Esfuerzo σ, MPa. MP Esfuerzo σ, MPa. MP Esfuerzo σ, MPa. MP Esfuerzo σ, MPa. MP Roseta 6 Roseta 7 Roseta 8 Roseta 9 Roseta 10 Máx Min. Máx Min. Máx. Min. Máx. Min. Máx. Min

9 Cont Cont Tabla 1 Esfuerzos residuales experimentales Esfuerzo σ, MPa. MP Esfuerzo σ, MPa. MP Esfuerzo σ, MPa. MP Roseta 11 Roseta 12 Roseta 13 Máx Min. Máx. Min. Máx. Min

10 Sensor utilizado para el cálculo de los esfuerzos residuales

11 NOTA IMPORTANTE Cabe mencionar que los esfuerzos residuales calculados son válidos siempre y cuando sean inferiores al 50% del esfuerzo de cedencia del material, de acuerdo a la norma ASTM Standard Test Method E837-99; y el esfuerzo de cedencia del MPa acero estructural es de 250 MPa. Todos los valores que no se encuentran anotados en las tablas anteriores es por que están fuera de l bl f d norma.

12 Milling Guige Milli G i and d Strain St i Indicator I di t P3

13 Descripción del equipo Strain Indicator P3 El indicador de deformaciones modelo P3 es portable, permite la conexión de 4 sensores conectados en un cuarto de puente, medio puente, y puente completo. 1.-Trabaja 1. Trabaja con sensores de y 1000 ohms. 2.-Sistema de adquisición de datos de pruebas táti estáticas. 3.-Cuenta con una pantalla de cristal liquido LCD donde se exhiben las microdeformaciones Se Se lee un dato a la vez por canal por segundo y se transfiere a la computadora a través de un puerto USB.

14 Descripción del equipo Milling Guide Milling guide es un equipo de precisión capaz de clocarse en superficies planas y curvas, curvas perfora a través del centro de una roseta especial, usada para determinar esfuerzos residuales por el método de b barrenación. ió E t método Este ét d se encuentra t d descrito it completamente en la Norma ASTM Standard E-837, y en Vishay Micro-Measurements Tech Note TN-503, Measurement of Residual Stresses By The HoleDrilling Strain Gage Method. Este método es considerado, considerado generalmente como semidestructivo. Dependiendo del tipo de roseta usada, el barreno oscila il entre t in i y in; i tanto t t en diámetro diá t como en profundidad.

16 Existen varias técnicas de análisis de esfuerzos en p elementos estructurales;; en esta etapa se desarrolló un estudio en computadora utilizando software de análisis estructural. La técnica de análisis que emplea este software es el método de los elementos finitos. Consiste en generar modelos numéricos de elementos finitos a partir de un modelo geométrico de CAD, cabe destacar que el modelo utilizado para este estudio fue hecho con líneas en autodesk inventor. El vehículo en cuestión tiene: 2, mm de alto, alto 10,109 mm de largo, 2,484 mm de ancho.

17 Figura 1. Estructura del vehículo

18 Sección posterior Sección frontal Sección central

19 Se utilizaron 859 elementos estructurales, 14 tipos de secciones transversales, de las cuales en la tabla 1 se listan solamente 3 con sus respectivas características geométricas. geométricas Tabla 2. Propiedades geométricas de secciones t1 t2 t4 W2 W2 t1 W3 t3 t3 W1 t2 W1 W2 T2 W3 T3 T1 W1 t1=t2=t3=t4= 4.8 mm W1= 76.2 mm W2=76.2 mm A= mm2 I Iyy=Izz I mm4 t1=t2=t3= 2 mm W1= 38.1 mm W2=38.1 mm W3= 38.1 mm A mm2 A=220.6 Iyy= mm4 Izz= mm4 t1=t2=t3= mm W1= 31 mm W2=31 mm W3= 72 mm A mm2 A= Iyy= mm4 Izz= mm4

20 El modelo geométrico de la figura 1 se malló con elementos finitos Beam188, Beam4 y Shell63; cuyas características se mencionan en la tabla 2. 2 Tabla 3. Propiedades de Elementos finitos Tipos de elementos finitos j j k l j i i i BEAM188 2 NODOS, 3-D DOF:UX,, UY,, UZ ROTX, ROTY, ROTZ ALABEO BEAM4 2 NODOS, 3-D DOF:UX,, UY,, UZ ROTX, ROTY, ROTZ SHELL63 4 NODOS, 3-D DOF:UX,, UY,, UZ ROTX, ROTY, ROTZ

21 Beam188: Es un elemento finito lineal que tiene dos nodos y 7 grados de libertad por cada uno; estos incluyen 3 traslaciones UX, UX UY, UY UZ en las direcciones x, y, z, 3 rotaciones en las mismas direcciones ROTX, ROTY, ROTZ, además del ALABEO Este ALABEO. E t elemento l t permite it analizar li fl ió flexión lateral, torsión y pandeo. Beam4: Este elemento finito uniaxial, uniaxial capaz de soportar tensión, compresión, torsión y flexión, es un elemento tridimensional que contiene dos nodos y 6 grados de libertad por cada uno; estos incluyen traslaciones UX, UY, UZ, y rotaciones,, ROTZ en las mismas direcciones. ROTX,ROTY,

22 Shell63: Es un elemento finito capaz de soporta flexión y esfuerzos de membrana, ambos en un plano normal a las cargas aplicadas. El elemento tiene 4 nodos y 6 grados de libertad por cada nodo; traslaciones UX, UY, UZ, en las direcciones x, y, z y rotaciones en las mismas direcciones, ROTX, ROTY, ROTZ.

23 Una vez generado el modelo de elementos finitos, se continuó con la solución bajo diferentes condiciones: Casos de estudio. Caso Caso Caso Caso Ensayo Ensayo y Ensayo Ensayo numérico numérico numérico numérico de torsión frontal de torsión p posterior de Flexión frontal Flexión posterior De las pruebas arriba señaladas solo se mencionan el caso 1 por haber presentado los resultados l d más críticos.

24 Tabla 4. Consideraciones de carga para el análisis Peso Vehicular Peso de Bidones con Agua PBIH2O Peso Bruto Vehicular PV + PBIH2O K Kg N K Kg N K Kg N Tabla 5. Propiedades Mecánicas del material Módulo de Elasticidad E Relación de Poisson µ GPa N/mm2 Adimensional

25 y numérico de torsión ffrontal. CASO 1. Ensayo Para este caso, el vehículo durante su movimiento experimenta un desnivel en el terreno lo que provoca que caiga primero sobre una llanta y posteriormente sobre las demás; para considerar un efecto crítico, se supone que la masa del vehículo en ese instante es soportada por la llanta g delantera. Para lograr esto se elevará cada una de las ruedas del frente del vehículo a una altura aproximada de 390 mm., mientras las otras permanecen a nivel del piso. piso

26 Torsión del frente de la estructura α α = 13 Torsión del eje delantero

27 Caso 1. 1 Ensayo numérico de torsión frontal α Esfuerzos principales, vista frontal y lateral

28 Esfuerzos principales, eje posterior, detalle del piso

29 Video 1 1. Esfuerzos Principales

30 Video 2 2. Esfuerzos Principales

31 Video 3 3. Esfuerzos Principales

32 Tabla 6. Esfuerzos numéricos Esfuerzos Principales σ, MPa Numéricos Máx Mín Es importante hacer notar que los esfuerzos residuales id l se suman o se restan t a los l esfuerzos f numéricos, y así aumentar o disminuir la resistencia a la fatiga, EN ESTE CASO DISMINUYE LA RESISTENCIA.

33 Basándonos en el estudio de solución numérica y las pruebas de esfuerzos residuales se concluye lo siguiente: Después de haber realizado el ensayo de torsión al elevar la llanta delantera izquierda se llevó a cabo una inspección visual por la parte inferior del chasis y del piso de la estructura del vehículo, encontrando daños como los que se muestran en la figura de abajo.

35 El análisis de los esfuerzos residuales indica que estos rebasan los límites establecidos por l la norma, probablemente b bl t por procesos de d manufactura o inducidos por procesos de p fabricación de los perfiles. Con base en los resultados obtenidos se observa que los esfuerzos más considerables son los de torsión.

36 De acuerdo a lo anterior se recomienda lo siguiente: La estructura del vehículo debe estar construida con marcos cerrados. La unión entre los perfiles debe ser tal que las líneas de sus ejes centroidales sean concurrentes, como lo indica la figura de abajo. La conexión no concéntrica de juntas induce esfuerzos secundarios no deseados.

37 Perfiles con esfuerzos secundarios Perfiles sin esfuerzos secundarios y con ejes centroidales concurrentes

38 Establecer un procedimiento para evaluar los esfuerzos residuales inherentes a los perfiles utilizados en la construcción del vehículo en cuestión. Establecer E t bl un procedimiento di i t para evaluar l continuamente los esfuerzos residuales inherentes a los procesos p de manufactura. f

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