Aplicación de un programa de optimización topológica al diseño de un chasis para Formula Student

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería en Diseño Industrial y Desarrollo de Producto Aplicación de un programa de optimización topológica al diseño de un chasis para Formula Student Autor: Pérez Cobo, Marta Tutor(es): Magdaleno Martín, Jesús Departamento: Construcciones Arquitectónicas, Ingeniería del Terreno y Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras. Valladolid, junio 2021. RESUMEN | MARTA PÉREZ COBO 3 RESUMEN El consiguiente proyecto trata sobre la aplicación de un programa en el diseño de un chasis para Formula Student mediante optimización topológica. Para ejecutarlo, se necesitará analizar previamente las herramientas que ofrece el software, por lo que en este proyecto se describen los aspectos principales para alcanzar un manejo fluido del programa, en lo que se refiere a diseño, análisis de tensiones y optimización topológica. Asimismo, se describen los pasos precisos para lograr el diseño de un chasis ajustado a las condiciones y restricciones de Formula Student, además de los resultados obtenidos en cada análisis ejecutado. Palabras clave: Formula Student, Monoplaza, Vehículo, Chasis, Optimización topológica. ABSTRACT The consequent project deals with the application of a program in the design of a chassis for Formula Student by means of topological optimization. To execute it, it will be necessary to previously analyze the tools that the software offers, so this project describes the main aspects to achieve a fluid management of the program, in terms of design, stress analysis and topological optimization. Likewise, the precise steps to achieve the chassis design adjusted to the conditions and restrictions of Formula Student are described in addition to the results obtained in each analysis performed. Palabras clave: Formula Student, Single-seater, Vehicle, Chassis, Topological optimization. RESUMEN | MARTA PÉREZ COBO 4 ÍNDICE DE CONTENIDOS | MARTA PÉREZ COBO 5 ÍNDICE DE CONTENIDOS 1. Objetivos y planificación .......................................................13 1.1. Objetivos................................................................................................ 13 1.2. Planificación........................................................................................... 13 1.3. Antecedentes ......................................................................................... 14 1.4. Estructura de la memoria ........................................................................ 14 2. Estado del arte ....................................................................15 2.1. Formula Student ..................................................................................... 15 2.1.1 Evolución histórica ............................................................................ 15 2.1.2. Categorías de competición ................................................................ 16 2.1.3. Disciplinas ....................................................................................... 17 2.1.4. Inspecciones técnicas....................................................................... 19 2.2. Optimización topológica .......................................................................... 21 2.2.1. Historia ........................................................................................... 22 2.2.2. Principales aplicaciones .................................................................... 22 2.3. Autodesk Fusion 360 .............................................................................. 24 2.3.1. Características Fusion 360................................................................ 24 2.3.2. Conocimientos previos sobre la utilización de Fusion 360 .................... 26 2.4. Chasis ................................................................................................... 34 2.4.1. Introducción..................................................................................... 34 2.4.2. Restricciones de la Formula SAE que afectan al chasis. ....................... 35 3. Diseño del chasis ................................................................43 3.1. Bocetos 2D de las estructuras principales................................................. 43 3.2. Resto de estructuras ............................................................................... 46 4. Análisis y estudios ...............................................................51 4.1. Estudio modelo 1.................................................................................... 51 4.1.1. Pruebas........................................................................................... 52 4.1.2. Optimización topológica .................................................................... 61 4.2. Estudio modelo 2.................................................................................... 73 4.2.1. Optimización topológica .................................................................... 74 5. Diseño final .........................................................................77 6. Conclusiones y posibles líneas futuras ..................................85 6.1. Conclusiones.......................................................................................... 85 ÍNDICE DE CONTENIDOS | MARTA PÉREZ COBO 6 6.2. Otras consideraciones............................................................................. 85 6.3. Líneas futuras ........................................................................................ 86 7. Bibliografía ..........................................................................87 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES | MARTA PÉREZ COBO 7 ÍNDICE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Coche de Formula SAE de la Universidad de Texas en Arlington, 1986 [4] ……………………………………………………………………………………………………………………….... 16 Ilustración 2. Circuito Skidpad [14] ……………………………………………………………………… 18 Ilustración 3. Porcentaje de las pruebas (Elaboración propia) ……………….………...…… 19 Ilustración 4. Optimización topológica de una silla [19] ………………………………………… 21 Ilustración 5. Moto Light Rider [8] ……………………………………………………………....……… 23 Ilustración 6. Productos de Autodesk [5] ……………………………………………………………… 24 Ilustración 7. Funciones Fusion 360 [2] ……………………………………………………………… 26 Ilustración 8. Interfaz (Elaboración propia) ………………………..………………………………… 27 Ilustración 9. Panel de control …………………………………………………………………………….. 27 Ilustración 10. Perfil y preferencias …………………………………………….……………….……… 28 Ilustración 11. Workspace ………………………………………………………………….……………… 28 Ilustración 12. Barra principal de Design ……………………………………………………….…… 29 Ilustración 13. Design create ………………………………………………………………………..…… 30 Ilustración 14. Ejemplo de un ensamblaje [6] ………………………………………………….…… 31 Ilustración 15. Design inspect ……………………………………………………………………….…… 31 Ilustración 16. Barra de herramientas Simulation ……………………………………..………… 32 Ilustración 17. Uno de los primeros chasis de la historia [17] ……………………..………… 34 Ilustración 18. Partes principales de un chasis [12] …………………………………………….. 35 Ilustración 19. Triangulación de las barras del chasis [14] …………………………………… 37 Ilustración 20. Referencias sobre el diseño del volante y los tirantes [14] ………..…… 38 Ilustración 21. Referencias sobre el diseño del arco principal [14] …………………….… 38 Ilustración 22. Las medidas del conductor [14] ……………………………………………….…… 39 Ilustración 23. Estructura de impacto lateral [14] ………………………………………………… 40 Ilustración 24. Plantilla para la abertura de la cabina [14] …………………………………… 40 Ilustración 25. Plantilla para la sección transversal interna [14] …………………………… 40 Ilustración 26. Dimensiones de las barras [14] ………………………………….………………… 40 Ilustración 27. Dimensiones de cada barra [14] ……………………………………………..…… 41 Ilustración 28. Base …………………………………………………………………………………………… 44 Ilustración 29. Plano frontal ………………………………………………………………..……………… 44 Ilustración 30. Arco frontal ..…………………………………………………………………………..…… 45 Ilustración 31. Arco principal …………………………………………………………….………………… 45 Ilustración 32. Barra en el arco principal ……………………………………………………………… 46 Ilustración 33. Skecht suspensiones delanteras .………………………………………………… 47 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES | MARTA PÉREZ COBO 8 Ilustración 34. Skecht suspensiones traseras ……………………………………………….…… 48 Ilustración 35. Anclajes del motor …………………………………………………………………..…… 48 Ilustración 36. Perforación para simulación del asiento ……………………………………… 49 Ilustración 37. Modelo 1 …………………………………………………………………………….……… 49 Ilustración 38. Render modelo 1 …………………………………………………….…………………… 51 Ilustración 39. Impacto frontal, tensiones (aplicación de una fuerza) ……………….…… 52 Ilustración 40. Impacto frontal, desplazamientos (aplicación de una fuerza) ……..….. 52 Ilustración 41. Impacto frontal, tensiones (aplicación de una aceleración) …………..…53 Ilustración 42. Impacto frontal, desplazamientos (aplicación de una aceleración) …. 53 Ilustración 43. Impacto lateral, tensiones (aplicación de una fuerza) …………….……… 54 Ilustración 44. Impacto lateral desplazamientos (aplicación de una fuerza) ………….. 54 Ilustración 45. Impacto lateral, tensiones (aplicación de una aceleración) ……………. 54 Ilustración 46. Impacto lateral, desplazamientos (aplicación de una aceleración) .… 54 Ilustración 47. Impacto lateral, tensiones (aplicación de una fuerza, segundo ensayo) ………………………………………………………………………………………………………………….……… 55 Ilustración 48. Impacto lateral, desplazamientos (aplicación de una fuerza, segundo ensayo) …………………………………………………………………………………………………………….. 55 Ilustración 49. Impacto lateral, tensiones (aplicación de una aceleración, segundo ensayo) …………………………………………………………………………………………..……………...… 55 Ilustración 50. Impacto lateral, desplazamientos (aplicación de una aceleración, segundo ensayo) …………………………………………………………………………….………….……… 55 Ilustración 51. Rigidez a torsión, tensiones ………………………………………………..………… 56 Ilustración 52. Rigidez a torsión, desplazamientos ………………………..…………………… 56 Ilustración 53. Rigidez a flexión, tensiones ………………………………………………………… 57 Ilustración 54. Rigidez a flexión, desplazamientos ……………………………………………… 57 Ilustración 55. Frenada, tensiones (aplicación de una fuerza) …………………………….… 57 Ilustración 56. Frenada, desplazamientos (aplicación de una fuerza) …………………… 57 Ilustración 57. Frenada, tensiones (aplicación de una aceleración) ………………….…… 58 Ilustración 58. Frenada, desplazamientos (aplicación de una aceleración) …………… 58 Ilustración 59. Aceleración, tensiones (aplicación de una fuerza) …………………….…… 59 Ilustración 60. Aceleración, desplazamientos (aplicación de una fuerza) …………….… 59 Ilustración 61. Aceleración, tensiones (aplicación de una aceleración) …………….…… 59 Ilustración 62. Aceleración, desplazamientos (aplicación de una aceleración) ……… 59 Ilustración 63. Vuelco, tensiones (aplicación de una fuerza) ……………………………....… 60 Ilustración 64. Vuelco, desplazamientos (aplicación de una fuerza) ……………………… 60 Ilustración 65. Vuelco, tensiones (aplicación de una aceleración) ……………………….… 60 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES | MARTA PÉREZ COBO 9 Ilustración 66. Resultado vuelco, desplazamientos (aplicación de una aceleración) …………………………………………………………………………………………………………………………. 60 Ilustración 67. Elementos no optimizables, modelo 1 …………………………………………… 60 Ilustración 68. Optimización modelo 1, vista 1 (aplicación pruebas con fuerza) …….. 62 Ilustración 69. Optimización modelo 1, vista 2 (aplicación pruebas con fuerza) .…… 62 Ilustración 70. Optimización modelo 1, vista 2 (aplicación pruebas con fuerza) ….…. 62 Ilustración 71. Gradiente de color …………………………………………………….……………….… 63 Ilustración 72. Optimización modelo 1, vista 1 (aplicación pruebas con aceleración) ……………………………………………………………………………………………………………………..….. 63 Ilustración 73. Optimización modelo 1, vista 2 (aplicación pruebas con aceleración) ……………………………………………………………………………………………………………………….… 63 Ilustración 74. Optimización modelo 1, vista 3 (aplicación pruebas con aceleración) …………………………………………………………………………………………………………………………. 63 Ilustración 75. Comparación malla 1 con la malla por defecto (malla 1 ilustración derecha) ………………………………………………………………………………………………………..…. 66 Ilustración 76. Optimización malla 1 …………………………………………………………………… 66 Ilustración 77. Malla 2 ………………………………………………………………………..……………… 67 Ilustración 78. Optimización malla 2 ………………………………………………….…………..…… 67 Ilustración 79. Malla 3 ……………………………………………………………………………………..… 67 Ilustración 80. Optimización malla 3…………………………………………………………………… 67 Ilustración 81. Malla 4 …………………………………………………………………………..…………… 68 Ilustración 82. Optimización malla 4 …………………………………………………………………… 68 Ilustración 83. Malla 5 ………………………………………………………………………………..……… 68 Ilustración 84. Optimización malla 5 …………………………………………………………………… 68 Ilustración 85. Malla 6 ………………………………………………………………………..……………… 69 Ilustración 86. Optimización malla 6 …………………………………………………………………… 69 Ilustración 87. Malla combinada ………………………………………………………………………… 69 Ilustración 88. Optimización malla combinada, vista 1 ……………………………….………… 70 Ilustración 89. Optimización malla combinada, vista 2 ……………………………….………… 70 Ilustración 90. Optimización malla combinada, vista 3 ……………………………….………… 70 Ilustración 91. Malla final …………………………………………………………………………………… 71 Ilustración 92. Optimización malla final, (38,35% del volumen inicial) ……………..…… 71 Ilustración 93. Optimización malla final, vista 1 (54,56% del volumen inicial) ……….. 71 Ilustración 94. Optimización malla final, vista 2 (54,56% del volumen inicial) ……….. 72 Ilustración 95. Optimización malla final, vista 3 (54,56% del volumen inicial) …….…. 72 Ilustración 96. Render modelo 2 ………………………………………………………………….……… 73 ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 16 En 1981, participaron 6 equipos con un conjunto de 40 alumnos, cuyos números han ido creciendo, hasta llegar a la actualidad donde se celebran competiciones en muchos países como Japón, Brasil, Alemania... alcanzándose las cifras de hasta 120 equipos y más de 2.000 estudiantes. La primera competición en España fue en 2010 con únicamente 11 equipos, entre ellos, cinco alemanes y cuatro españoles. Este evento es posible gracias a la STA (Sociedad Española de Ingenieros de Automoción) y a la ayuda de empresas e instituciones españolas que actúan sin ánimo de lucro [5]. Para concluir, es importante mencionar que en todos los países se utiliza la misma normativa elaborada por Formula SAE, y una vez concluida la competición se elabora un ranking mundial [3]. 2.1.2. Categorías de competición A la hora de clasificar las categorías de las que se compone la competición se debe tener en cuenta por un lado el tipo de motor (de combustión interna o eléctricos) del que están dotados y por otro lado el grado de fabricación en el que se encuentra el automóvil, siendo la clase 1 en la que más participantes hay, y la clase 2 y clase 3 para los equipos con menos experiencia. - Clase 1 En dicha categoría se inscriben aquellos equipos con el monoplaza totalmente terminado, pudiendo competir en las pruebas dinámicas. Únicamente pueden presentarse con el mismo modelo de automóvil Ilustración 1. Coche de Formula SAE de la Universidad de Texas en Arlington, 1986 [4]. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 17 durante un año, si ha pasado el plazo se deben hacer cambios importantes, sin la posibilidad de reutilizar el chasis, promoviendo así la innovación. - Clase 2 Categoría para equipos que tienen el vehículo elaborado, pero se encuentra incompleto en alguna de sus características o funciones. Tan sólo puntúan las pruebas de diseño, presentación y coste. Como requisito para poder presentarse a este nivel es tener el chasis completamente fabricado, además se pueden presentar con el mismo modelo de automóvil siempre que se suba una categoría respecto a años previos. - Clase 3 Por último, la categoría para los equipos más principiantes, en ella presentan los modelos en fase de diseño o de validación del modelo, y puntuarán sólo en las pruebas estáticas. Como regla general, un equipo no se puede presentar a esta categoría dos años seguidos, con la intención de fomentar el desarrollo, pero puede haber excepciones si el equipo también se presenta a las clases 1 o 2 [5]. 2.1.3. Disciplinas Ya que se trata de la simulación de una situación real, cada equipo dependiendo de la categoría a la que se presente, deberá superar unas pruebas u otras. En ellas se demostrarán las prestaciones que poseen los monoplazas. Primeramente, los equipos deben pasar primero las pruebas estáticas para poder acceder a las dinámicas. 1. Pruebas estáticas - Business Plan: los equipos presentan el plan de negocio del vehículo construido, convenciendo al jurado de que su producción ofrece más beneficios y ventajas frente a otros. Para así evaluar la capacidad del equipo para desarrollar y entregar un caso comercial, logístico, de producción o técnico integral. - Cost and Manufacturing: donde se entregará un documento con los costos de todas y cada una de las piezas del monoplaza. Estimando su capacidad para considerar los presupuestos. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 18 - Engineering Design: informando de todas las especificaciones del diseño, los motivos de haber tomado esas decisiones, así como sus ventajas, para que puedan ser evaluadas por el equipo de jueces. 2. Pruebas dinámicas - Skidpad: para demostrar la aceleración lateral, haciendo círculos a izquierda y derecha con el vehículo, en un circuito en “ocho” como se observa en la ilustración 2. El circuito está compuesto por dos pares de círculos concéntricos, el exterior tiene un diámetro de 21,25 m y el interior de 15,25 m, a su vez la distancia entre los centros es de 18,25 m. Cada equipo puede intentar hasta cuatro carreras, con dos conductores diferentes, pudiendo realizar cada uno de ellos dos carreras. Ilustración 2. Circuito Skidpad [6]. - Aceleration: el monoplaza tiene que, en el menor tiempo posible acelerar en una línea recta de 75 metros. Se puede intentar hasta cuatro veces, haciéndolo con dos conductores, limitando a dos carreras por conductor. - Autocross: se trata de conducir el coche durante un kilómetro en un circuito a una velocidad entre 40 km/h y 48 km/h, cuyo tiempo indicará las cualidades dinámicas y de maniobrabilidad. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 19 Al igual que las anteriores pruebas, se puede realizar hasta cuatro carreras con dos conductores diferentes. - Endurance: es la demostración más relevante. Durante 22 kilómetros los coches tienen que demostrar todas sus capacidades para hacer distancias largas. La velocidad promedio debe ser de 48 km/h a 57 km/h con velocidades máximas alrededor de 105 km/h. Se debe hacer una parada a los 11 kilómetros apangando el motor y volviéndolo a arrancar para observar la fiabilidad del vehículo al límite. - Efficiency: se calcula la energía que ha necesitado el monoplaza para realizar la prueba de resistencia. Se basa en una métrica de la cantidad de combustible consumido y el tiempo promediado en cada vuelta [1]. 2.1.4. Inspecciones técnicas Una de las bases de Formula Student es la seguridad, por lo que antes de proceder a las pruebas dinámicas, el monoplaza tiene que superar cuatro inspecciones técnicas que no puntúan. Las cuales se describen a continuación: - Scrutieering: se revisan todas las especificaciones de la normativa de la competición referentes a distancias, geometrías y materiales. Y se hace Ilustración 3. Porcentaje de las pruebas (Elaboración propia). ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 20 una prueba en la que el piloto tiene que ser capaz de salir del monoplaza en menos de cinco segundos. - Tilt Test: se posiciona el monoplaza con el piloto en una plataforma horizontal y se inclina inicialmente 45 grados para comprobar que no existe ningún tipo de pérdida de líquidos y a continuación 60 grados para comprobar que no vuelca, demostrando su estabilidad frente a las fuerzas laterales. - Noise Test: el nivel del sonido se medirá durante una prueba estacionaria, con la caja de cambios del vehículo en punto muerto, se medirá a 0,5 m desde el final de la salida del escape y el sonido no puede superar los 110 dB. - Brake Test: para demostrar la capacidad de frenada del monoplaza, en un tramo concreto debe frenar bloqueando las cuatro ruedas a la vez y sin desviarse de su trayectoria. - Rain Test: esta prueba deben pasarla los monoplazas eléctricos para comprobar su perfecto aislamiento al rociar el auto. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 21 2.2. Optimización topológica La optimización topológica es un subcampo del diseño digital que posibilita alcanzar gracias a fórmulas matemáticas, la distribución idónea de materia en un volumen establecido, el cual se encontrará sometido a tensiones mecánicas [7]. Su principal objetivo es la simplificación estructural manteniendo las propiedades mecánicas del objeto, por ello está enfocada a aquellos componentes en los que el peso es una característica crucial. En la actualidad, la optimización topológica es usada principalmente en las industrias aeroespacial, automotriz y de obras civiles [8]. En los procesos tradicionales de diseño digital para comprobar si una pieza aguanta las cargas a las que va a estar sometida, lo que se hace es aplicarlas en la pieza ya fabricada, y una vez ahí, el ingeniero será el encargado de pensar los cambios que necesita para que se comporte correctamente. En cambio, con la optimización topológica esas cargas van a ser los datos de entrada con los que el software trabajará y propondrá una geometría mejorada para esas situaciones de carga [9]. Ahora bien, se debe tener siempre presente que los resultados de la optimización en ningún caso son la solución de diseño en sí misma, sino que es una referencia que le servirá de ayuda al profesional para el posterior CAD. Dicha operación busca la simplicidad pensando en el proceso de fabricación, por lo que en muchos casos no podrá tener la forma más optimizada posible [7]. Ilustración 4. Optimización topológica de una silla [10]. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 22 En la realización de una optimización topológica, se deben de tener en cuenta varios aspectos; el espacio de diseño, el o los casos de carga a los que va a estar la pieza, el material y el proceso de su fabricación. Por lo tanto, es primordial el conocimiento de las características y exigencias del objeto de estudio por parte del diseñador o ingeniero, para la correcta realización de la optimización e interpretación de las soluciones [11]. Los principales beneficios de la optimización podrían ser, la reducción de peso y volumen, la maximización de la resistencia, la reducción de costes, la minimización de tiempos de fabricación y la posibilidad de crear diseños orgánicos y atractivos [12]. 2.2.1. Historia En 1960 Schmidt, propuso una idea innovadora; se dio cuenta de que los ingenieros tendían a diseñar productos que aguantaran su vida útil soportando los esfuerzos máximos a los que iban a estar sometidos, y todo esto al mínimo coste, por lo tanto, esta preocupación por el diseño se podría resolver de forma sistemática con problemas de minimización de restricciones, y existiría la capacidad de solucionarlo con técnicas de programación no lineal recurriendo a ordenadores. A raíz de esto, y al gran desarrollo de las tecnologías de fabricación aditiva y el desarrollo de materiales, hoy en día es posible fabricar multitud de productos y componentes que hace décadas era impensable y hace que muchos aspectos del trabajo de los ingenieros sean mucho más fáciles, rápidos y económicos [11]. 2.2.2. Principales aplicaciones En primer lugar, se hará referencia a la industria automotriz la cual lo aprovechó para reducir la cantidad de materias primas y con ello costes. A continuación, se ve el chasis impreso en 3D del Light Rider, que tiene un peso de tan sólo 6 kilos. Es la primera motocicleta impresa en 3D, cuya invención le corresponde a Apworks. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 23 La aeronáutica indudablemente es otro de los sectores interesados en la optimización topológica, tanto para reducir costes directos como indirectos. El conjunto de cambios lo que acaba generando en una aerolínea son ahorros muy considerables. Por último, mencionar la medicina la cual también está haciendo uso de este método de diseño, el cual ofrece grandes facilidades a la hora de fabricar implantes a medida, con incluso mejores prestaciones que los tradicionales [9]. Ilustración 5. Moto Light Rider [13]. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 24 2.3. Autodesk Fusion 360 Autodesk fue fundada en 1982 por John Walker y otros doce cofundadores, actualmente tiene su sede en Estados Unidos. Es una empresa especializada en software de diseño en 2D y 3D, cuyo propósito es el de servir como soporte y herramienta para numerosas industrias de ingeniería, fabricación, construcción y arquitectura, a la hora de diseñar, construir y simular sus proyectos. El producto más notable de dicha compañía es AutoCAD, el cual permite crear dibujos técnicos detallados. Pero también se deben destacar otros programas de Autodesk como Inventor, Revit, 3DMax o Fusion 360, que será en el que se centrará y empleará este Trabajo Fin de Grado [14]. 2.3.1. Características Fusion 360 Fusion 360 es un programa extraordinario de ingeniería que combina el diseño industrial y mecánico, dotado de todas las herramientas necesarias para construir un prototipo físico. Es un software alojado en la nube, que más allá de su faceta de diseño CAD, verá las opciones de CAE, con las que elaborará amplia variedad de simulaciones, estudiará las de CAM y desarrollará los diseños para la fabricación final, posibilitando de esta forma unificar el diseño, la ingeniería y la fabricación en un único programa [16]. Ilustración 6. Productos de Autodesk [15]. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 25 Además de la aplicación web, tiene una app disponible para móviles lo cual la hace muy versátil ya que se puede mostrar el proyecto en cualquier momento de forma improvisada [17]. A continuación, se enumeran algunos de los motivos por los que se recurre a este programa y el razonamiento de que sea un software tan versátil: - Herramienta integral: abarca desde el desarrollo del diseño hasta la posible exportación del modelo para una posterior impresión 3D, pasando por la realización de simulaciones que permitirán ver el comportamiento del modelo ante las situaciones de la vida real. - Elimina barreras: aquellas que siempre han estado presentes entre el diseño y la fabricación, ya que permite realizar formas complejas capaces de ser mecanizadas. - Modelado flexible: gracias a todas sus opciones en el momento de diseñar, pues incluye modelado poligonal Sub-D, modelado de superficies NURBS, modelado R-Splines, modelado de curva Bezier… - Importación y exportación de archivos: da muchas facilidades a la hora de los tipos de archivos en los que se pueden guardar los trabajos (.OBJ,.DXF,.DWG, .SLDPRT…). - Diseño generativo y simulación avanzada: permitiendo generar varias alternativas a un mismo diseño, dependiendo de las condiciones que se hayan aplicado al modelo. - Gestión integrada de datos: el propio programa se encargará de administrar automáticamente versiones anteriores a las que se puedan acceder con facilidad para modificar o acceder a datos que puedan ser de utilidad en el presente. - Colaboración: al ser un programa alojado en la nube da la opción de poder trabajar varias personas y de conectar diferentes partes externas en un mismo proyecto. - Fabricación: incluye el núcleo HSM y la utilidad de impresión 3D [18]. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 32 - Static Stress: se utiliza para materiales que tienen un comportamiento lineal, generalmente metales y analiza la deformación y el estrés debido a restricciones y cargas que se le aplican al objeto. - Model Frequencies: determina las frecuencias modales del componente. - Thermal: para observar como actuaría un modelo en diferentes condiciones de temperatura. - Thermal Stress: combina Static Stress y Thermal en un único estudio. - Structural Buckling: para estudiar el pandeo del objeto. - Nonlinear Static Stress: se utiliza para materiales con un comportamiento no lineal, y corresponde a la versión compleja de Static Stress. - Event Simulation: se observa la conducta del modelo al aplicarle cargas que varían en el tiempo. - Shape Optimization: determina la reducción de masa que se puede realizar en un modelo a partir de unas cargas y restricciones introducidas previamente [17]. En concreto se procede a describir la barra principal de Static Stress ya que será la que mayoritariamente se utiliza para el desarrollo del trabajo. Ilustración 16. Barra de herramientas Simulation. En primer lugar se ve Study, que sólo se utiliza para crear un nuevo estudio. Después se observa el apartado Simply con el que se simplifica la geometría del modelo eliminando las partes que no son relevantes. En tercer lugar Materials, para aplicar el material deseado. Constraints permite definir las restricciones del objeto bien sean fijas o con limitaciones de movimiento. Loads define las fuerzas a aplicar. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 33 Contacts da la opción de crear contactos entre los diferentes componentes de forma automática o manual. Con Display se define que es lo que se quiere ver en pantalla, el modelo, los resultados del estudio o la malla generada. Manage permite ver varios criterios del estudio a la vez. Gracias a Solve se procede a ejecutar la simulación y muestra los posibles fallos o información relevante sobre el cálculo. Y por último Results donde se observan los resultados de las simulaciones. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 34 2.4. Chasis 2.4.1. Introducción En la industria automotriz se podría decir que uno de los elementos más importantes del vehículo es el chasis. Se considera como una de las unidades más primordiales debido a su función principal, que es la de soportar y fijar los diferentes elementos que forman el auto, como lo son el sistema de frenos, de dirección, de suspensión, transmisión, anclaje de motor y carrocería. Hoy en día, a la hora de diseñar el chasis uno de los factores que más influye es la seguridad del conductor, por lo que se tiene en cuenta a la hora de crear barras de protección para un posible vuelco, o hacer que la propia estructura sea la que absorva la energía en caso de accidente. Hay tres aspectos fundamentales para la construcción de un chasis; la ligereza, la rigidez y la economía. Todo ello va a ser tratado en el proyecto, en primer lugar la ligereza por lo que se realiza la optimización para conseguir el mínimo peso necesario, combinándolo con la rigidez para conseguir la resistencia que se requiere para poder superar las pruebas a las que va a ser sometido, y por último la ecocomía lo cual también está estrechamente relacionado, ya que a menos material menos costos. Ilustración 17. Uno de los primeros chasis de la historia [21]. Se pueden definir dos tipos de chasis, tubulares y monocasco. Los chasis monocasco integran el chasis a la carrocería. En cambio, los tubulares son un componente a parte de la carrocería, generalmente construidos con secciones ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 35 rectangulares, llegando a una fabricación más sencilla que los monocasco y una mayor resistencia a torsión, algo que a continuación se verá que es un factor muy importante a considerar en los coches de competición, y por lo que este tipo de chasis es el más utilizado [21]. Un chasis está formado por lo menos por los siguientes elementos (Ilustración 18): - Arco principal: barra antivuelco situada detrás del conductor. - Arco frontal: barra antivuelco situada delante del conductor, sobre sus piernas. - Tirantes de los arcos: estructuras necesarias para dar más rigidez a los arcos anteriormente nombrados. - Estructura de impacto lateral: para unir los dos arcos, y proteger al conductor en caso de accidente. - Plano frontal: dota de protección a la zona de los pedales [22]. 2.4.2. Restricciones de la Formula SAE que afectan al chasis. Una vez se está inscrito en la Formula SAE, se está comprometido a cumplir las normas generales y específicas vigentes del año. Y es responsabilidad del Ilustración 18. Partes principales de un chasis [22]. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 36 propio equipo y de la facultad, leer y comprender las reglas de la categoría en la que participan. Las reglas son aplicables a todos los vehículos, excepto en el caso en el que se especifique que son únicamente para monoplazas de combustión interna o para monoplazas eléctricos. En este caso, el vehículo irá provisto de un motor de combustión interna por lo que será a las reglas a las que se harán referencia en este documento. A continuación se presentan aquellas restricciones que se tendrán que tener en cuenta y que se tendrán que comprobar a la hora de diseñar el chasis. - Los vehículos deben fabricarse de acuerdo con el diseño, los materiales y los procesos descritos en el SES. - La cabeza y las manos del conductor no deben tener contacto con el suelo en ningún momento. - La distancia mínima entre los ejes de las ruedas, midiéndolo desde el centro de contacto de la rueda delantera con el centro de contacto de la rueda trasera será igual o superior a 1525 mm. - La distancia más pequeña entre ruedas del mismo eje, en ningún caso debe de ser inferior al 75% de la distancia entre los dos ejes. - La estructura primaria se debe construir con tuberías de acero, materiales alternativos o materiales compuestos que cumplan con la normativa. Las curvas deben de ser suaves y continuas. - El mamparo delantero debe estar construido con tubería de sección cerrada que cumpla la normativa. - El arco pincipal y el frontal deben extenderse desde el punto más bajo de un lado de la estructura hasta el punto más bajo del lado contrario. - El arco principal debe estar construido de una sola pieza de tubería con sección cerrada, continua y sin cortar, y con un material que cumpla con la normativa. - El arco frontal debe estar construido con tubería de sección cerrada, con un material que cumpla la normativa. Puede estar constituido de más de una pieza de tubería. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 37 - El arco principal y el arco frontal deben integrarse de forma segura en la estructura primaria mediante la triangulación correcta (Ilustración 19). - En la vista frontal, las verticales del arco principal deben tener una distancia mínima de 380 mm en el punto en el que se unen con los tubos de la estructura principal del chasis. - Desde la vista lateral, el arco frontal o cualquier parte del mismo no debe estar inclinado a más de 20º de la vertical. De igual manera pasa con el arco principal, no debe estar inclinado a más de 10º desde la vertical. - La superficie superior del arco frontal no debe estar más baja que la parte superior del volante (Ilustración 20). - Debe existir un mínimo de 50 mm desde la línea recta trazada desde la parte superior del arco frontal hasta el extremo del refuerzo si se extiende hacia atrás (Ilustración 20). - Debe existir un máximo de 160 mm por debajo de la superficie superior del arco principal para colocar los tirantes los cuales serán rectos y sin curvas, dichos tirantes formarán con el arco principal como mínimo 30º. En el caso de que el arco esté inclinado hacia atrás los tirantes estarán hacia atrás, y si el arco está inclinado hacia delante los tirantes estarán hacia delante (Ilustración 20) . Ilustración 19. Triangulación de las barras del chasis [5]. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 38 - Al estar el conductor totalmente sentado y sujeto por el sistema de sujección debe existir un mínimo de 50 mm desde la línea recta trazada desde la parte superior del arco principal hasta la parte superior del arco frontal y el casco del conductor (Ilustración 21). - La cabina debe ser diseñada para que pueda ser utilizada por una persona que se encuentre entre el percentil 5 femenino al percentil 95 masculino. A continuación se ven las dimensiones máximas de dicho rango. El círculo superior de 300 mm representa la cabeza con casco, después se observan dos círculos de 200 mm, el primero representa los hombros y el segundo las caderas (Ilustración 22). Ilustración 21. Referencias sobre el diseño del arco principal [5]. Ilustración 20. Referencias sobre el diseño del volante y los tirantes [5]. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 39 - La estructura de impacto lateral debe estar construida con tubos de sección cerrada con un material que cumpla con la normativa, y con una triangulación adecuada. Puede estar constituido de más de una pieza de tubería. Debe estar compuesta por al menos tres miembros tubulares a cada lado del conductor cuando se encuentra sentado en posición normal. El miembro superior de impacto lateral debe: a) Conectar el arco frontal con el arco principal. b) Estar en una zona paralela al suelo entre 240 mm y 320 mm por encima del punto más bajo de la superficie superior del miembro de impacto lateral inferior. El miembro inferior de impacto lateral debe: a. Conectar la parte inferior del arco frontal con el arco principal. El miembro diagonal de impacto lateral debe: a. Conectar el miembro de impacto lateral superior y el miembro de impacto lateral inferior como se muestra en la Ilustración 23. Ilustración 22. Las medidas del conductor [5]. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 40 - La plantilla que se muestra a continuación debe caber en la abertura de la cabina (Ilustración 24) . - Se debe mantener una sección transversal interna libre para permitir el paso de la plantilla mostrada a continuación (Ilustración 24). - El material con el que se construya el chasis debe ser de un metal o material no metálico que cumpla con UL94-VD, FAR25 o un aprobado equivalente (material no inflamable). - Las propiedades del material continuo deben ser: Modulo de Young (E) =200 GPa Ilustración 24. Plantilla para la abertura de la cabina [5]. Ilustración 25. Plantilla para la sección transversal interna [5]. Ilustración 23. Estructura de impacto lateral [5]. ESTADO DEL ARTE | MARTA PÉREZ COBO 41 Límite elástico (Sy) = 305 MPa Resistencia máxima (Su) = 365 MPa - Las propiedades del material discontinuo deben ser: Límite elástico (Sy) = 180 MPa Resistencia máxima (Su) = 300 MPa - Se pueden utilizar otros materiales, pero en ese caso deberán incluirse los cálculos, en los que se demuestren que son equivalentes o mejores [14]. Ilustración 26. Dimensiones de las barras [5]. Ilustración 27. Dimensiones de cada barra [5]. DISEÑO DEL CHASIS | MARTA PÉREZ COBO 48 Ilustración 34. Skecht suspensiones traseras. En segundo lugar se procede a anclar el motor directamente al monoplaza mediante unos anclajes, para así intentar impedir que las vibraciones se transmitan al chasis, irá alojado en la parte trasera del auto, detrás del conductor y tendrá dos amarres principales, uno a cada lado del chasis con un diámetro de 92 mm, a 2000 m del plano frontal y una altura desde la base de 180 mm (Ilustración 35). Por último, se ha creado la simulación del asiento del conductor, es decir el punto donde se aplica la mayor fuerza en el momento en el que el piloto está Ilustración 35. Anclajes del motor. DISEÑO DEL CHASIS | MARTA PÉREZ COBO 49 sentado, lo que se ha representado con una circunferencia de diámetro 165 mm, a 1550 mm del plano frontal (Ilustración 36). Como resultado de todo lo descrito anteriormente se obtiene la geometría a la cual se aplicarán los estudios de carga para finalmente optimizar (Ilustración 37). Ilustración 36. Perforación para simulación del asiento. Ilustración 37. Modelo 1. DISEÑO DEL CHASIS | MARTA PÉREZ COBO 50 ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 51 4. Análisis y estudios 4.1. Estudio modelo 1 En este estudio del modelo 1 se procede a realizar todos aquellos ensayos necesarios. El objetivo es llegar a la optimización para observar donde se puede reducir masa y obtener de una forma más fácil, el modelo final construido con barras. Para ello se accede a la parte de simulación en la que uno por uno se verán los resultados obtenidos en las simulaciones. Esos resultados servirán de guía, ya que al interpretarlos se puede ir tanteando como va a quedar la optimización y por defecto ir conociendo aquellos puntos en los que se necesita material y aquellos en los que no. Inicialmente se aplican unas condiciones, fijas para todos y cada uno de los ensayos. Estas condiciones comunes son los principales pesos que va a soportar el chasis, en primer lugar en la zona de anclaje del asiento una fuerza equivalente a 70 kg, en los anclajes del motor el peso del motor el cual también le va a aportar rigidez al monoplaza, de igual manera 70 kg, lo cual pasa a ser una fuerza de 686 N, en dirección vertical y hacia la base del vehículo. Tampoco se debe olvidar la fuerza de gravedad, que evidentemente actuará en todos los ensayos. Se ha reflexionado sobre si aplicar una fuerza o una aceleración para simular las acciones de los ensayos en el chasis, y se ha decidido observar, qué comparaciones se pueden sacar entre las dos formas. Como bien se conoce, al aplicar una fuerza, ésta únicamente actúa sobre la cara en la que se coloca, en Ilustración 38. Render modelo 1. ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 52 cambio la aceleración actúa en cada diferencial de volumen, es decir actúa como si estuviese repartida en todo el volumen por lo que el efecto es diferente. 4.1.1. Pruebas - Impacto frontal Para certificar que el chasis no va sufrir una rotura en un choque frontal, según la normativa debe soportar un impacto equivalente a 25g. Como ya se ha comentado anteriormente, se van a observar que diferencias hay entre aplicar una fuerza o una aceleración. En primer lugar para realizar la simulación se fija el plano frontal y se aplica una fuerza en el plano trasero de 150 kN, en horizontal y hacia el plano frontal. Al generar la malla se observa que no es totalmente correcta, ya que hay zonas incompletas, pero es algo que de momento no se debe dar importancia ya que lo que se está obteniendo son unos resultados aproximados. En el momento en el que se quiera obtener el modelo definitivo entonces si que se tendrá que tener más cuidado en este aspecto. Ilustración 39. Impacto frontal, tensiones (aplicación de una fuerza). Lo primero que se obtiene es el valor del factor de seguridad el cual es muy usado en ingeniería e industria. Es el cociente entre el valor calculado de la capacidad máxima de un sistema y el valor del requerimiento esperado real al que se verá sometido. E indica el peligro de rotura que tiene el objeto analizado. Después se obseva que el valor máximo de tensiones es 34,29 MPa y el máximo de desplazamientos es 0,183 mm, por lo que son valores aceptables e insignificantes para la estructura que se está analizando, además son muy Ilustración 40. Impacto frontal, desplazamientos (aplicación de una fuerza). ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 53 pocos los puntos en los que se generan puntos críticos, ya que incluso hay puntos en los que no se presenta ningún cambio en la estructura. Para la segunda opción, se mantiene la restricción pero esta vez se aplica una aceleración de 25g en sentido horizontal y hacia la parte delantera del monoplaza. El resultado de la tensión máxima es de 52,49 MPa y el desplazamiento máximo es 0,588 mm, cuyos datos también se pueden considerar admisibles. Se observa que se obtienen resultados diferentes, en el caso de aplicar una aceleración, los valores máximos son mayores ya que en este caso es un estudio más real, ya que actúa sobre todo el modelo pero tampoco hay una gran diferencia. Respecto a los puntos críticos son muy semejantes, por lo que en general no hay muchas diferencias entre los dos estudios. - Impacto lateral El análisis de impacto lateral es primordial ya que si el vehículo no actúa como debe, se puede poner en peligro la integridad del conductor. Es muy común recibir un impacto lateral de otro vehículo por lo que son muy importantes las estructuras laterales. Para este caso, se fija la estructura de impacto lateral de un único lado del chasis. En la estructura de impacto lateral restante, se aplica una fuerza de 57 kN que tiene un ángulo de 45º con la horizontal. El sentido de esta fuerza es hacia el lateral restringido. Ilustración 42. Impacto frontal, desplazamientos (aplicación de una aceleración). Ilustración 41. Impacto frontal, tensiones (aplicación de una aceleración). ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 54 El valor de la tensión máxima es un poco superior al ensayo anterior ya que es 71,74 MPa, pero sigue siendo un valor muy pequeño, y en el caso de desplazamientos se tiene como valor máximo 0,542 mm, algo que ni siquiera se tiene que tener en cuenta ya que no llega ni a 1 mm. En la segunda opción, se mantiene la restricción de movimiento de la estructura de impacto lateral, pero en vez de aplicar una fuerza de 57 kN, se aplica una aceleración 5g en sentido horizontal hacia el lateral restringido y 8g en sentido vertical hacia la base del chasis. La tensión máxima es 43,83 MPa, y el desplazamiento máximo es 0,2 mm. Una vez realizados estos dos estudios se observa que aquellas partes que se fijan y aquellas donde se aplica una fuerza no serán optimizadas, algo que no interesa, asique se modifica el estudio y en vez de fijar toda la estructura de impacto lateral de un lado del chasis, se fija únicamente los puntos de anclaje de las suspensiones de ese mismo lado. Para hacer el ensayo con fuerza en vez de una fuerza de 57 kN se aplica una fuerza de 35 kN pero también se modifica su lugar de aplicación, ya que ahora Ilustración 44. Impacto lateral desplazamientos (aplicación de una fuerza). Ilustración 43. Impacto lateral, tensiones (aplicación de una fuerza). Ilustración 46. Impacto lateral, desplazamientos (aplicación de una aceleración). Ilustración 45. Impacto lateral, tensiones (aplicación de una aceleración). ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 55 será en los puntos de anclaje de las supensiones del lado contrario al que se ha fijado, lo que simulará el golpe en esos puntos. En este caso los valores máximos son menores, en el caso de la tensión es de 67,19 MPa y del desplazamiento de 0,102 mm, algo insignificante. Para hacer el ensayo con una aceleración, la restricción es igualmente en los anclajes de las suspensiones de un lado del chasis y aplico 5g y 8g de igual manera que en el primer ensayo. La tensión máxima es 62,57 MPa y el desplazamiento máximo es 0.154 mm, por lo que se concluye diciendo que todos son valores aceptables en los que no habrá peligro de rotura y que apenas varía entre la aplicación de fuerza frente a la aplicación de aceleración, pero en cierto grado parece más razonable el comportamiento al aplicarle una aceleración. Ilustración 47. Impacto lateral, tensiones (aplicación de una fuerza, segundo ensayo). Ilustración 48. Impacto lateral, desplazamientos (aplicación de una fuerza, segundo ensayo). Ilustración 49. Impacto lateral, tensiones (aplicación de una aceleración, segundo ensayo). Ilustración 50. Resultado impacto lateral, desplazamientos (aplicación de una aceleración, segundo ensayo). ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 56 - Rigidez a torsión La rigidez a torsión en uno de los estudios más importantes a analizar, es muy representativo debido a que es un desplazamiento dinámico normal en los autos. Una buena rigidez a torsión confirma un buen comportamiento del monoplaza en el paso por curva y por el contrario si se comporta de forma demasiado rígida y no es razonable, incrementa en exceso su peso. Para realizarlo se ha fijado los 16 anclajes de las suspensiones y aplicado un momento equivalente a 1000 Nm en el plano frontal y otro de igual valor pero sentido contrario en el plano trasero. Se obtienen unos valores totalmente insignificantes de 3,603 MPa y 0,009 mm. - Rigidez a flexión En primer lugar se ha restringido el movimiento en los anclajes de las suspensiones y después se ha dristribuido el peso aproximado del vehículo en los diferentes miembros del vehículo, el monoplaza pesa 786 kg por lo que se aplica un fuerza de 7,7 kN es las zonas superiores. Ocurre como en el ensayo de impacto lateral, no interesa colocar la fuerza en todas las zonas superiores porque no lo optimizará, por lo que sólo se colocan en aquellas zonas que se tiene conocimiento previo de que irá una barra después de la optimización. Ilustración 51. Rigidez a torsión, tensiones. Ilustración 52. Rigidez a torsión, desplazamientos. ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 57 Al resolver este ensayo se obtiene una tensión máxima de 3,937 MPa y un desplazamiento máximo de 0,017 mm, lo cual se puede despreciar. - Frenada En el caso de la simulación con fuerza, se ha procedido a fijar los anclajes de las suspensiones y a aplicar en ellas una fuerza horizontal y una fuerza vertical. La fuerza horizontal va a ser igual en todos los anclajes con un valor de 940 N, y la fuerza vertical va a ser de 472 N en las ruedas traseras y de 868 N en las ruedas delanteras. Como ya se ha mencionado antes, al no tener un equipo completo con el que poder calcular todo lo necesario, estos datos han sido extraídos de un TFG posterior al presente [23], que en su caso si que se pudo analizar todo lo necesario para conocer las fuerzas que iba a tener que soportar el chasis. Ilustración 53. Rigidez a flexión, tensiones. Ilustración 54. Rigidez a flexión, desplazamientos. Ilustración 55. Frenada, tensiones (aplicación de una fuerza). Ilustración 56. Frenada, desplazamientos (aplicación de una fuerza). ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 64 Se observa que no da muchas pistas sobre donde deben ir colocadas las barras en el diseño final ninguna de las dos optimizaciones. Pero según lo analizado anteriormente con las pruebas aisladas se decide realizar las optimizaciones siguientes únicamente con el modelo en el que se aplican aceleraciones, excepto la prueba de vuelco, que se utiliza en la que se le aplica una fuerza. Una vez eliminada una de las dos opciones que se tenía desde un principio, se procede a cambiar la configuración de la malla ya que se había dejado la que estaba por defecto. Los valores de dicha malla son los siguientes: Tabla 2. Valores de la malla por defecto. A continuación se harán diferentes pruebas para analizar como varían los resultados de la optimización al modificar los diferentes valores señalados en la Tabla 2. Pero primero señalar algunos aspectos importantes respecto a la generación de la malla. En primer lugar, saber que la malla se genera como un calco de la geometría del modelo, por lo cual si en el modelo hay pequeñas separaciones, salientes o geometría muy compleja se pueden dar problemas a la hora de la creación de la malla. Esto se puede solucionar diviendo el modelo en partes más pequeñas y aplicando la malla de forma independiente, a parte de aplicar una malla más fina para esas zonas problemáticas. Aquellos valores que se van a modificar para configurar la malla lo que hacen es especificar el tamaño y el grosor de la malla y evidentemente cuanto más pequeños pongamos los elementos que componen la malla el tiempo de resolución será mayor. Es posible refinar la malla manualmente en aquellas zonas específicas que más interesan, pero en este caso con la modificación de la configuración será suficiente. En primer lugar, se activará una casilla que se dejará activa para todas las mallas posteriores, que es la de Scale mesh size per part, gracias a la cual Model-based Size 5% Element Order Linear Max. Turn Angle on curves (Deg) 60 deg Max. Adjacent Mesh Size Ratio 1,5 Max. Aspect Ratio 10 Minimum Element Size 20 ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 65 genera una malla que es dependiente del tamaño de las partes, con lo cual genera una malla más final para los elementos más finos. Después se debe conocer lo que se modifica en la malla al variar sus valores: - Model-based Size: modifica el tamaño del elemento en relación con el tamaño del modelo. Cuanto menor sea el valor, más densa será la malla. - Element Order: define la clase de elemento que va a formar la malla, por defecto está puesto en lineal, pero los expertos aconsejan ponerlo en parabólico, en especial para aquellos modelos con curvas. - Max. Turn Angle on curves: es el ángulo máximo de giro y afecta al número de elementos de la superficies curvas, con lo cual cuanto mayor sea el ángulo, menor será el número de elementos de la malla en una curva. - Max. Adjacent Mesh Size Ratio: el cual afecta a la uniformidad de la transición de la malla entre la malla fina y gruesa. Especifica la relación de la longitud de arista máxima entre las aristas de elementos adyacentes. - Max. Aspect Ratio: es la relación entre el lado más largo y el más corto del modelo. Un análisis de tensiones necesita una malla más fina en este aspecto que un análisis de desplazamientos. - Minimum Element Size: permite realizar un refinado automático en las zonas pequeñas y el valor que se introduce es una fracción del tamaño medio. Para observar en primera línea como se modifica la malla al variar estos parámetros, se irán variando uno a uno para poder analizarlos. - Modificación de malla 1 En este caso, se crea una malla más densa, modificando el primer valor de la tabla a 3%. ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 66 Se observa que se generan muchos más elementos en la malla, y que en el resultado de la optimización se ve una mejora, ya que en la parte trasera del arco principal se comienzan a visualizar dos tirantes. También se observa un nervio en la parte trasera del chasis. - Modificación de malla 2 Para la segunda malla, se volverá a poner el valor de Model-based Size en un 5%, y se cambiará el tipo de elemento de lineal a parabólico. Respecto a la generación de la malla se ve una gran diferencia, ya que no hay ninguna zona en la que no se haya creado, por lo que es mucho más completa. Ilustración 75. Comparación malla 1 con la malla por defecto (Malla 1 ilustración derecha). Ilustración 76. Optimización malla 1. Ilustración 10. Resultado impacto lateral, tensiones. ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 67 Ilustración 77. Malla 2. En esta ocasión, si que es verdad que se obtiene un resultado mucho mejor, en el que nos completa los tirantes traseros además de indicarnos que tenemos que incluir un perfil en la parte delantera, pero no se puede asegurar que merezca la pena, ya que el tiempo de resolución ha sido mucho mayor, al finalizar los estudios se tomará una decisión. - Modificación de malla 3 En la malla 3, se va a volver a poner el tipo de elemento a lineal, y se variará el ángulo máximo en las curvas con un valor de 30 grados. Se puede observar que la malla no sufre una gran variación pero sí que es verdad que en aquellas zonas curvas se completa un poco mejor, pero el resultado no es admirable, ya que da menos pistas que los resultados anteriores, probablemente si el ángulo fuera aún más pequeño y se combinara con la modificación de otros parámetros, el resultado podría ser mejor. Ilustración 78. Optimización malla 2. Ilustración 79. Malla 3. Ilustración 80. Optimización malla 3. ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 68 - Modificación de malla 4 En este caso con todos los valores iguales a los predeterminados, sólo se modificará la relación entre las aristas adyacentes a 3. Aparentemente no se ven modificaciones en la malla, pero el resultado es bastante peor, por lo que si en un futuro variamos este parámetro deberemos hacerlo hacia valores menores. - Modificación de malla 5 Para la penúltima malla que se va a generar se vuelven a resetear los valores por defecto, y se modificará el Max. Aspect Ratio a un valor de 5. Inicialmente en la malla no se observan cambios, y en el resultado de la optimización tampoco nos facilita mucho la interpretación, con lo cual será uno de los valores que se dejará el que esté por defecto. Ilustración 81. Malla 4. Ilustración 82. Optimización malla 4. Ilustración 83. Malla 5. Ilustración 84. Optimización malla 5. ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 69 - Modificación de malla 6 Para terminar, se cambiará el valor de Minimum Element Size a 60, para observar que cambios se producen. Los elementos de la malla son sutilmente más grandes, y el resultado muy parecido al inicial, con lo cual para posteriores ensayos se dejará con un valor de 20. Después de analizar cada uno de los parámetros que componen la malla se va a crear una nueva combinando aquellos con los que hemos obtenido mejores resultados, para con ello llegar a una optimización aceptable que pueda servir de guía para el modelo final. Se han puesto los siguientes parámetros: Tabla 3. Valores combinados de la malla. En esta malla no se ha puesto el tipo de elemento parabólico debido al costo de su resolución, para comprobar si merece la pena o de lo contrario no es necesario. Model-based Size 3% Element Order Linear Max. Turn Angle on curves (Deg) 15deg Max. Adjacent Mesh Size Ratio 1,5 Max. Aspect Ratio 10 Minimum Element Size 20 Ilustración 85. Malla 6. Ilustración 86. Optimización malla 6. Ilustración 87. Malla combinada. ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 70 Se obtiene el resultado más satisfactorio hasta el momento, pero puede que realmente se note la diferencia cambiando el tipo de elemento a parabólico, con lo cual se va a realizar la prueba con los siguientes parámetros de la malla. Tabla 4. Parámetros óptimos para la malla. Model-based Size 3% Element Order Parabolic Max. Turn Angle on curves (Deg) 15deg Max. Adjacent Mesh Size Ratio 1,5 Max. Aspect Ratio 10 Minimum Element Size 20 Ilustración 88. Optimización malla combinada, vista 1. Ilustración 89. Optimización malla combinada, vista 2. Ilustración 90. Optimización malla combinada, vista 3. ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 71 Se observa un resultado excelente, incluso observando únicamente el 38,35% del volumen inicial, pero si que es cierto que si se aumenta un poco este valor se ve un optimización lo suficientemente aceptable, así que se ha puesto en un 54,56% y efectivamente ahora se puede afirmar que es de gran valor modificar el tipo de elemento a parabólico ya que es el mejor resultado de todos con una gran diferencia. Se han generado los dos tirantes del arco principal acorde con la normativa, además de incluir dos barras en la parte donde irá la estructura de impacto lateral, la cual ya viene definida por la Formula SAE. En la zona delantera ha creado una especie de red que facilitará mucho el trabajo en esa zona al igual que la parte inferior del chasis, mostrando donde se tendrán que poner los mayores refuerzos. Ilustración 91. Malla final. Ilustración 92. Optimización malla final (38,35% del volumen inicial). Ilustración 93. Optimización malla final, vista 1 (54,56% del volumen inicial). ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 72 Ilustración 94. Optimización malla final, vista 2 (54,56% del volumen inicial). Ilustración 95. Optimización malla final, vista 3 (54,56% del volumen inicial). ANÁLISIS Y ESTUDIOS | MARTA PÉREZ COBO 73 4.2. Estudio modelo 2 Ilustración 96. Render modelo 2. Para intentar conseguir una mejor aproximación, se van a realizar una serie de agujeros en el primer modelo para simplificarlo y ver si se puede obtener una solución más orientativa a pesar de haber obtenido una muy buena aproximación con la resolución de la malla final. El modelo 2 para estudiar, se muestra a continuación. Ilustración 97. Modelo 2, vista 1. DISEÑO FINAL | MARTA PÉREZ COBO 80 Una vez se han añadido las dos barras de refuerzo en la parte delantera, se obtiene un desplazamiento de 6,01 mm y una tensión de 178,4 MPa, valores que ahora sí se pueden dar por válidos. - Impacto lateral En este segundo ensayo se han fijado los anclajes de las suspensiones de un solo lateral del chasis, y se ha aplicado una aceleración de 6g horizontal hacia el lateral fijado del monoplaza. Los valores del desplazamiento máximo y de la tensión máxima, toman los valores de 1,27 mm y 92,4 MPa respectivamente, siendo unos valores aptos para nuestro vehículo. Ilustración 110. Impacto frontal, modelo de barras, ensayo 3 (tensiones). Ilustración 111. Impacto frontal, modelo de barras, ensayo 3 (desplazamientos). Ilustración 112. Impacto lateral, modelo de barras (tensiones). Ilustración 113. Impacto lateral, modelo de barras (desplazamientos). DISEÑO FINAL | MARTA PÉREZ COBO 81 - Rigidez a torsión Para este ensayo, se fijan los 16 anclajes de las suspensiones y se aplica un momento de 1000 Nm en los planos tanto trasero como frontal, pero con diferente sentido. Ya que no se puede colocar el momento en el plano, se dividirá el valor entre los cuatro nodos de cada plano. Alcanza unos valores aceptables, como desplazamiento máximo 1 mm, y como tensión máxima 241,1 MPa que a pesar de ser un valor alto no hay peligro de rotura, ya que los ensayos a los que se esta sometiendo al chasis son extremos. - Rigidez a flexión En el ensayo de rigidez a flexión se han fijado del mismo modo las suspensiones, y se ha aplicado una carga continua equivalente a 7,7 kN sobre las barras superiores principales. Ilustración 114. Rigidez a torsión, modelo de barras (tensiones). Ilustración 115. Rigidez a torsión, modelo de barras (desplazamientos). Ilustración 116. Rigidez a flexión, modelo de barras (tensiones). Ilustración 117. Rigidez a flexión, modelo de barras (desplazamientos). DISEÑO FINAL | MARTA PÉREZ COBO 82 El desplazamiento máximo es 1,1 mm, un valor imperceptible para este caso y la tensión máxima es 198,6 MPa, con lo cual se puede dar el estudio por válido sin necesidad de hacer cambios en la estructura. - Frenada En este caso se aplica una aceleración 1,2g en horizontal y hacia la parte trasera del chasis, además de la fijación de todos los anclajes de las suspensiones, y se obtienen unos valores muy aceptables. Un desplazamiento máximo de 1 mm y una tensión máxima de 76,11 MPa. - Aceleración Para este estudio se procede igual que para el de frenada, pero con un valor de la aceleración de 0,7g y en sentido contrario, es decir en horizontal hacia la parte delantera del chasis. Ilustración 118. Frenada, modelo de barras (tensiones). Ilustración 119. Frenada, modelo de barras (desplazamientos). Ilustración 120. Aceleración, modelo de barras (tensiones). Ilustración 121. Aceleración, modelo de barras (desplazamientos). DISEÑO FINAL | MARTA PÉREZ COBO 83 Respecto a los resultados no hay problema, ya que son similares al ensayo de frenada. El desplazamiento máximo es 1 mm y la tensión máxima es 76,04 MPa. - Vuelco Para finalizar se realiza el ensayo de vuelco, fijando los anclajes de las suspensiones de un lado del chasis y aplicando una fuerza 1,5 kN en el punto más alto del arco principal en sentido horizontal y hacia el lateral fijado del chasis. Se obtienen unos resultados altos, pero dentro de los límites, un desplazamiento máximo de 13,02 mm y una tensión máxima de 341 MPa, la cual sería aconsejable incluir unos refuerzos en esos nudos, por ejemplo una cartela. Después de resolver las deficiencias del modelo de barras inicial, ser puede observar finalmente el modelo de chasis definitivo. Ilustración 122. Vuelco, modelo de barras (tensiones). Ilustración 123. Vuelco, modelo de barras (desplazamientos). DISEÑO FINAL | MARTA PÉREZ COBO 84 Ilustración 124. Modelo final. CONCLUSIONES Y POSIBLES LÍNEAS FUTURAS | MARTA PÉREZ COBO 85 6. Conclusiones y posibles líneas futuras 6.1. Conclusiones Finalmente se ha obtenido un chasis válido para la competición Formula Student mediante la utilización de un software relativamente nuevo sobre el cual se han investigado aquellos apartados de mayor interés para este Trabajo Fin de Grado. Los resultados de las simulaciones han sido generalmente favorables, y en los casos contrarios se ha buscado solución, añadiendo apoyos o modificando la geometría, para obtener definitivamente un buen resultado en el comportamiento del chasis ante las diferentes pruebas. Ahora se puede añadir, que para futuros estudios, se debe tener en cuenta a la hora de realizar las simulaciones, la importancia de conocer previamente dónde y cómo van a ser aplicadas las fuerzas y restricciones, y que en aquellos elementos a los que se las asigne, no serán optimizables. También, destacar el conocimiento sobre la creación de malla para el momento de realizar la optimización, ya que dependiendo de los valores de los parámetros de la misma, se obtendrán resultados muy dispares. 6.2. Otras consideraciones En primer lugar, hay que destacar que el impacto ambiental ha sido mínimo, ya que los recursos utilizados como el ordenador o el ratón serán reciclados en un futuro lejano, y la energía eléctrica consumida ha sido mínima, y que económicamente ha sido un proyecto barato, principalmente debido al acceso gratuito a los programas utilizados. En conjunto, se han utilizado tres softwares (Word, Fusion 360 e Inventor), los cuales son de pago, pero en este caso estos costes han podido ser eliminados gracias a las licencias para estudiantes gestionadas por la Universidad de Valladolid. Los costes relacionados con la amortización de equipos como el ordenador portátil no serán necesarios incluirlos en el impacto económico. En relación con la cantidad de horas invertidas, se tiene que hacer con una visión general contando con cada una de las fases del proyecto. En total el tiempo empleado ha sido 450 horas aproximadamente. Conociendo que el salario medio de un Ingeniero de Diseño en España en 2021 con una carga de nivel inicial es de 15,90 euros la hora [24], se calcula que el coste total del proyecto ha sido de 7.155 euros. CONCLUSIONES Y POSIBLES LÍNEAS FUTURAS | MARTA PÉREZ COBO 86 6.3. Líneas futuras La optimización y el diseño de un chasis es un trabajo constante, ya que día a día aparecen nuevos materiales, nuevos métodos de fabricación, ideas diferentes…, y todo ello se puede complementar con lo investigado anteriormente. Y ese era el objetivo, que en un futuro se pueda mejorar y avanzar sobre lo trabajado en el presente proyecto. Las posibles mejoras se pueden enfocar en el diseño, analizando absolutamente cada una de sus secciones, de cómo se comportan ante las diferentes condiciones, eso sí se ha comprobado que mediante optimización topológica cuanto más sencilla sea la geometría mejores resultados se obtendrán. También se pueden centrar los avances en el estudio de diferentes materiales, comparando sus ventajas e incovenientes, además de la modificación de la sección de los tubos, ya que en este caso se ha utilizado la misma dimensión para todos ellos por cuestión de simplificación de costes y fabricación. Por lo que para esta cuestión se deberían tener muchos aspectos en cuenta, costos, fabricación, análisis completo de la estructura… BIBLIOGRAFÍA | MARTA PÉREZ COBO 87 7. Bibliografía [1] upm RACING. (s.f.). Recuperado el 1 de Febrero de 2021, de upm RACING: http://www.upmracing.es/formula-student [2] Formula Student Spain. (s.f.). Recuperado el 1 de Febrero de 2021, de Formula Student Spain: https://www.formulastudent.es/ [3] Sanz, P. M. (s.f.). Pistonudos. Obtenido de Pistonudos: https://www.pistonudos.com/es/que-es-la-formula-student [4] Arlington, U. o. (s.f.). UTA. Recuperado el 5 de Marzo de 2021, de UTA: https://library.uta.edu/digitalgallery/img/10002858 [5] Wikipedia. (s.f.). Obtenido de Wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%B3rmula_Student [6] FORMULA SAE. (s.f.). Recuperado el 2 de Marzo de 2021, de https://www.fsaeonline.com/cdsweb/gen/DocumentResources.aspx [7] INGENIUS. (21 de Febrero de 2019). Recuperado el 11 de Febrero de 2021, de https://eddm.es/blog-ingenius/design-for-additive- manufacturing-optimizacion-toplogica/ [8] CATEC. (10 de Febrero de 2021). Obtenido de CATEC: http://www.catec.aero/es/materiales-y-procesos/l%C3%ADnea-de- investigaci%C3%B3n/optimizaci%C3%B3n-topol%C3%B3gica [9] C., L. (16 de Diciembre de 2020). 3Dnatives. Recuperado el 12 de Febrero de 2021, de 3Dnatives: https://www.3dnatives.com/es/optimizaciontopologica- 10012017/#:~:text=La%20fabricaci%C3%B3n%20aditiva%2C%20a% 20diferencia,mec%C3%A1nica%20de%20la%20pieza%20creada. [10] Hemmerling, M. (Diciembre de 2014). ReserarchGate. Obtenido de https://www.researchgate.net/figure/Form-finding-process-through- topology-optimization_fig1_301396408 [11] Bibing. (s.f.). Recuperado el 14 de Febrero de 2021, de Bibing: http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4296/fichero/VolumenI%252 F4.pdf [12] EITA. (11 de Febrero de 2021). Obtenido de EITA: https://eitaingenieros.com/optimizacion/ [13] C, L. (23 de Mayo de 2016). 3Dnatives. Recuperado el 8 de Marzo de 2021, de 3Dnatives: https://www.3dnatives.com/es/light-rider-la- moto-impresa-3d-23052016/# BIBLIOGRAFÍA | MARTA PÉREZ COBO 88 [14] AREATECNOLOGICA. (3 de Febrero de 2021). Obtenido de AREATECNOLOGICA: https://areatecnologia.com/dibujo-tecnico/quees-autodesk.html [15] Autodesk. (s.f.). Recuperado el 11 de Mayo de 2021, de https://knowledge.autodesk.com/es/support/inventor/learnexplore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2018/ESP/Inventor- Help/files/GUID-B73B2C75-4AA4-4F9E-9BC4-4AB8D26C1765- htm.html [16] SPARTAN GEEK. (3 de Febrero de 2021). Obtenido de https://spartangeek.com/blog/fusion-360-software-de- ingenieria#:~:text=Fusion%20360%20es%20un%20software,y%20ma quinado%2C%20todo%20en%20uno. [17] Raoul, N. R. (2020). Fusion 360 con ejemplos y ejercicios prácticos. Marcombo. [18] GRAITEC 2ACAD. (3 de Febrero de 2021). Obtenido de GRAITEC 2ACAD: https://www.2acad.es/10-razones-para-utilizar-fusion-360/ [19] Alba, M. (14 de Diciembre de 2020). Engineering.com. Recuperado el 2 de Abril de 2021 [20] Autodesk. (21 de Octubre de 2014). Autodesk Fusion 360. Recuperado el 15 de Abril de 2021, de https://www.youtube.com/watch?v=1VE64VQLAgQ [21] Galán, M. (13 de Abril de 2021). ActualidadMotor. Obtenido de ActualidadMotor: https://www.actualidadmotor.com/chasiscoches/#:~:text=Los%20primeros%20veh%C3%ADculos%20que%20s e,bastidor%20o%20chasis%20por%20largueros [22] Culcyt. (Agosto de 2013). Recuperado el 2 de Febrero de 2021 [23] Agundez, J. M. (Junio de 2019). UVADoc. Recuperado el 1 de Febrero de 2021, de http://uvadoc.uva.es/handle/10324/37839 [24] Talent.com. (2021). Recuperado el 14 de Junio de 2021, de https://es.talent.com/salary?job=ingeniero+de+dise%C3%B1o