ANÁLISIS Y OPTIMIZACIÓN DE UNA ESTRUCTURA DE UN AUTOBUS SUBURBANO

Transcripción

1 ANÁLISIS Y OPTIMIZACIÓN DE UNA ESTRUCTURA DE UN AUTOBUS SUBURBANO Dr. José Carlos Miranda ITESM Campus Toluca Alumnos de la carrera de IMA ITESM Campus Toluca Alumnos de la carrera de Ing. Mecánica INSA Toulouse, Francia

2 La mayor parte del transporte público en el área metropolitana de Toluca se realiza a través de autobuses tipo suburbano. Antecedentes En su mayoría los autobuses están diseñados para transportar 70 pasajeros.

3 Antecedentes Alumnos de la carrera de Ingeniero Mecánico Administrador tuvieron la inquietud de analizar una estructura para verificar su diseño. Una empresa de la localidad dio acceso a una estructura para su análisis.

4 Objetivo Analizar y optimizar con base en el peso total, una estructura típica de un autobus suburbano de 70 pasajeros montada sobre largueros de 8 metros. Aplicar los conocimientos adquiridos sobre el Método de Elementos Finitos en un problema real.

5 Metodología Para el análisis de la estructura se consideraron 5 casos de carga: Cargas vivas y muertas Aerodinámica Curva Análisis armónico de cargas en camino Análisis de impacto con carga estática equivalente.

6 Material y secciones Acero estructural con un E=210 GPa, ν=0,27 y esfuerzo de cedencia de 200 MPa. En el diseño original, 4 diferentes PTR son utilizados en la fabricación de la estructura: 1 x 1 in. 1 x 1½ in. 3 x 3 in. 3 x 1½ in.

7 Suposiciones Materiales homogéneos. Uniones perfectas. Simplificaciones básicas de geometría. Cargas simplificadas. No se incluyen ni fatiga ni corrosión. Se eliminó el efecto de cascarón.

8 Modelo La estructura se modeló utilizando elementos BEAM4. Se utilizó un tamaño de malla correspondiente a elementos con 9 cm de longitud. En todos los análisis se considero la carga debido a la gravedad.

9 Diseño propuesto Se propuso utilizar un solo tipo de PTR de 1.5 x 1.5 in con las mismas propiedades de material. Se optimizó empíricamente la topología de la estructura. Se obtuvo una reducción de 17% en el peso de la estructura.

10 Diseño original y propuesto Diseño original Diseño propuesto

11 Diseño original y propuesto Diseño original Diseño propuesto

12 Cargas vivas y muertas 70 pasajeros pesando 70 kg promedio y llevando un promedio de 15 kg de equipaje*. Carga total = kg distribuidos uniformemente sobre el piso. *Manual de normas para transporte público del Distrito Federal.

13 Vivas y muertas: original Máximo desplazamiento: 0,43 [cm] Máximo esfuerzo de von Mises: [N/cm 2 ]

14 Vivas y muertas: propuesto Máximo desplazamiento: 0,41 [cm] Máximo esfuerzo de von Mises: [N/cm 2 ]

15 Cargas en curva Revisar la respuesta de la estructura ante una curva (r=15m) que se recorre a una velocidad de 60km/h*. La carga se distribuyó sobre un área relativamente pequeña alrededor del centro de gravedad. F = mv 2 r *Pottinger, M.G. et al. Truck tire force and moment in cornering Braking Driving on Ice, snow and dry surfaces. SAE paper

16 Cargas en curva: original Máximo desplazamiento: 3,24 [cm] Máximo esfuerzo de von Mises: [N/cm 2 ]

17 Cargas en curva: propuesto Máximo desplazamiento: 3,26 [cm] Máximo esfuerzo de von Mises: [N/cm 2 ]

18 Cargas en el camino Análisis armónico aplicando un desplazamiento senoidal de 2,54 cm en las dos configuraciones que se muestran. sin (ω t -180 ) sin (ω t -180 ) sin (ω t ) sin (ω t ) Configuración normal Se analizó la respuesta de la estructura en el rango de 0 a 10 Hz*. sin (ω t ) sin (ω t -180 ) sin (ω t -180 ) sin (ω t ) Configuración cruzada *Casanova, R. Diseño de una estructura tipo C para un autobus urbano. Tesis M.C. ITESM MTY, 1996

19 Cargas en el camino: modelo La suspensión fue modelada utilizando elementos COMBIN14. Las constantes especificadas fueron: Rigidez trasera (N/cm) Rigidez delantera (N/cm) Coef. de amortiguamiento (Ns/cm) 200

20 Cargas en el camino: 2 propuesto 1.5 Desplazamiento [mm] Ux Uy Uz Frecuencia [Hz] Respuesta a la frecuencia en el efecto cruzado. El esfuerzo máximo fue de 76 MPa.

21 Conclusiones Con base en los análisis realizados, la estructura actual está sobrediseñada. Se propuso un nuevo diseño basado solamente en un tipo de miembro estructural. Con la modificación de la topología se logró reducir el peso de la estructura en un 17%.

22 Trabajo a futuro Realizar una modelación más detallada de la estructura, tomando en cuenta la interacción con los largueros. Desarrollar una metodología para optimizar la topología. Automatizar la optimización de la topología.

23 Alumnos participantes Por el ITESM Toluca: R. Morales, E. Trujillo, E. Verduzco, G. Moya, M. Gil. Por INSA Toulouse: S. Groc, B. Hugues, R. Stéphane, O. Guillaume.