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Optimización topológica de los largueros del bastidor de un semirremolque de tipo bañera Autor: Miguel Mateo Meléndez Directores: Luis Castejón Herrer David Valladares Hernando Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Industrial Escuela de Ingeniería y Arquitectura Departamento de Ingeniería Mecánica Convocatoria de Febrero-Marzo Curso académico 2012/2013 Optimización topológica de los largueros del bastidor de un semirremolque de tipo bañera. RESUMEN Este proyecto trata sobre la optimización topológica de los largueros de un bastidor de un semirremolque del tipo bañera. Esta optimización consistirá en un estudio sobre que espesor es el idóneo para cada una de las partes de los largueros del bastidor, las cuales son: ala inferior, ala superior y alma. Para conseguir una mejor calidad y exactitud en los resultados se dividirán las partes de los largueros en tramos de 500 mm, y se darán diferentes valores de espesor a cada tramo según los resultados del estudio de optimización. El objetivo de este proyecto es, como ya se ha comentado, conseguir un diseño óptimo de los largueros en cuanto al espesor de cada uno de los tramos se refiere, atendiendo a una serie de variables de rigidez y resistencia tales como tensiones, desplazamientos, coeficientes de seguridad, etc. Con este análisis se pretende minimizar la masa del bastidor manteniendo (disminuyendo ó aumentando ligeramente en algunos casos) todas estas variables dentro de unos límites previamente establecidos. Para realizar este estudio se utilizarán algunas herramientas informáticas tanto de elementos finitos como de optimización. ÍNDICE Introducción………………………………………………………………………………………………………………...págs 1-4 Desglose del proyecto (pag 5): Marco previo del proyecto…………………………………………………………………..págs 6-8 Alteraciones del modelo……………………………………………………………………págs 9-11 Diseño de experimentos para la optimización………………………………...págs 12-14 Primeros resultados y post-procesamiento de los mismos…………..…págs 15-16 Resultados y análisis………………………………………………………………………..págs 17-23 Cambio de materiales……………………………………………………………………...págs 24-28 Ahorro en los costes………………………………………………………………………..págs 29-30 Conclusiones………………………………………………………………………………………………………………..… pág 31 Bibliografía…………………………………………………………………………………………………………………….. pág 32 Anexos: Anexo 1…………………………………………………………………………….…págs 33-37 Anexo 2……………………………………………………………………………..págs 38-123 Anexo 3……………………………………………………………………………págs 124-130 Anexo 4……………………………………………………………………………págs 131-136 Anexo 5……………………………………………………………………………págs 137-139 1 INTRODUCCIÓN Para situar al lector en el contexto de este proyecto lo primero que se debe hacer al hablar de un término como la optimización topológica es dar una definición concreta de la misma, ya que puede que sea un aspecto desconocido en el ámbito del diseño de estructuras. La optimización topológica es uno de los métodos más utilizados de cara a mejorar las características de una estructura. Generalmente este método se suele aplicar a las geometrías continuas como estructuras laminares tipo placa y solidas. Lo cual engloba a este proyecto en concreto, ya que el modelo del bastidor de este semirremolque está diseñado, en el programa de elementos finitos, con elementos del tipo placa. El objetivo de este tipo de optimización es el de encontrar un mejor uso de los materiales de una estructura según una serie de criterios objetivos, que en este caso son criterios de rigidez y resistencia, y siempre dentro de unos máximos y mínimos según unas limitaciones previamente establecidas. Normalmente, en este tipo de optimización es la función de distribución del material la que sirve como parámetro de optimización, aunque existe otro tipo de optimización topológica más utilizado que consiste en la creación de agujeros y cavidades en las estructuras estudiadas siguiendo una serie de algoritmos prestablecidos que mejoran la calidad de la estructura según los valores de estudio. En este proyecto, se utilizará la optimización topológica para conseguir optimizar una de las partes del bastidor de un semirremolque, los largueros (la zona coloreada en verde en la Figura 1). Figura 1. Bastidor semirremolque 2 Dicho elemento del bastidor está formado a su vez por otros tres:  Ala superior  Ala inferior  Alma El modelo del bastidor que se observa en la figura es un modelo ya existente de un bastidor de semirremolque de tipo bañera que ha sido diseñado por el departamento de ingeniería mecánica de la universidad de Zaragoza para la empresa Leciñena, también situada en la provincia de Zaragoza. Este modelo ha sido calculado para varios casos en cuanto a solicitación de esfuerzos se refiere, tales como distintas solicitaciones de carga, distintos giros de la estructura, diferentes puntos de apoyo, etc. Y tras un consenso entre el autor y los directores de este proyecto se ha decidido que el estudio de optimización sólo se realizará de uno de estos casos, concretamente aquel en el que se intuye un mayor esfuerzo por parte del bastidor, es decir, se calculará para el caso que es más perjudicial para la estructura. Más tarde, en otras secciones, se explicarán con mayor exactitud las características específicas de este caso. El modelo previo que va utilizarse en este proyecto ha sido varias veces optimizado (tantas veces como 7) con diferentes cambios en varios parámetros, algunos de estos cambios respecto al diseño original son los siguientes:  Cambios de espesor en largueros (tanto en las alas como en el alma).  Cambios de material en largueros, puentes transversales y longitudinales y chapas.  Creación de refuerzos en diferentes zonas, ya sea por medio de nervios o chapas.  División en tramos de los largueros dándoles a cada uno un espesor más ajustado.  … Tras todos estos cambios se ha querido diseñar un modelo óptimo en cuanto a valores de masa se refiere, siempre conservando los mismos valores de rigidez y resistencia para tenerlo como referencia a la hora de comparar con futuras modificaciones del diseño. El objetivo de este estudio será el de conseguir unos valores óptimos de espesor para cada uno de los tramos en los que se dividirá cada una de las partes de los largueros, que den unos valores mínimos para la masa total del bastidor siempre y cuando se mantengan los valores relacionados con los esfuerzos, desplazamientos y coeficientes de seguridad. Tras llevar a cabo la división de los largueros en estos tramos de 500 mm de longitud, los tres elementos quedarán divididos cada uno en 23 partes, ya que la medida longitudinal de los largueros es de 11,5 m (para ser exactos 11.495 mm). Por tanto se abordará un estudio topológico de 69 variables de espesor diferentes, si se tiene en cuenta que cada variable corresponde a un tramo del larguero izquierdo y a otro del derecho debido a la simetría de la estructura. 3 Para conseguir este objetivo lo primero que se deberá hacer es aprender a utilizar las herramientas informáticas de diseño necesarias, que en este caso son tres:  Patran – Herramienta utilizada para la creación del diseño original del bastidor del semirremolque, y que se usará en este proyecto para dividir los tres elementos de los largueros del diseño previamente optimizado en las 23 partes antes mencionadas. Es un programa de elementos finitos, y por tanto se trabajará con estructuras malladas, lo cual dificultará la división, ya que el modelo a dividir ya ha sido mallado previamente.  Abaqus – Programa de análisis de elementos finitos donde se podrán ver los resultados de las simulaciones que se han ejecutado con Patran. En este programa se podrán ver los valores de variables como los esfuerzos, desplazamientos, coeficientes de pandeo que se tendrán en cuenta a la hora de elegir el diseño óptimo.  NOESIS Optimus – Con este programa se llevará a cabo la optimización de la estructura mediante el uso de diferentes métodos matemáticos que más tarde se comentarán. Este programa trabaja con archivos tanto de Patran como de Abaqus y por tanto es necesario haber trabajado con ellos previamente para poder comenzar el estudio. Con este programa se conseguirán extraer los mejores valores para cada uno de los tramos de los largueros, consiguiendo así minimizar los valores seleccionados en los ficheros de Abaqus que se introducen en este programa. 4 A lo largo de este memoria van a poderse observar con detalle los pasos dados para conseguir llegar al diseño óptimo de este bastidor. Se expondrán las tareas realizadas con cada uno de los programas de diseño que se van a utilizar y como deben vincularse unas a otras para conseguir el objetivo final. En otros apartados también podrán verse los resultados de cada uno de los experimentos de optimización que se lleven a cabo para poderse comparar unos con otros, además de para poder sacar conclusiones acerca de, por ejemplo, que parámetros de todos los estudiados influyen más en la búsqueda del diseño óptimo de los largueros. 5 DESGLOSE DEL PROYECTO En este apartado se van a introducir todas las secciones relacionadas con el análisis de la optimización del bastidor de semirremolque. Aquí se expondrán todos los cálculos, resultados, métodos y demás que hayan sido empleados durante la elaboración de este proyecto, incluyendo además los trabajos previos sobre los que se ha sustentado el mismo. Las secciones que van a analizarse son las siguientes:  Marco previo del proyecto: modelos anteriores, cálculos, modificaciones realizadas anteriormente, etc.  Alteraciones del modelo: los cambios realizados sobre la anterior optimización para llevar a cabo este análisis.  Diseño de experimentos para la optimización: Se expondrán las características preestablecidas para el proceso de optimización, así como los criterios fijados para dar o no viabilidad a una posible solución.  Primeros resultados y post-procesamiento de los mismos: Tras un primer cálculo de experimentos se pasará a un análisis más fino de los resultados para poder seguir con el proceso de reducción de la masa de la estructura por un camino diferente.  Resultados y análisis: En este apartado se mostrarán como han ido evolucionando los resultados a lo largo del proceso, si los distintos experimentos van cumpliendo o no los requisitos y los valores finales tanto de espesores de los elementos como de los resultados.  Cambio de materiales: Tras conseguir la máxima optimización de la masa del bastidor se llevará a cabo un pequeño análisis acerca de los materiales de los distintos tramos de los largueros y de si se puede o no reducir la resistencia del acero que los forma para conseguir un ahorro en los costes.  Ahorro en los costes: Se mostrarán resultados acerca de como se ha conseguido disminuir los costes tanto de fabricación como de uso gracias a la optimización de la masa de la estructura. 6 MARCO PREVIO DEL PROYECTO Este proyecto está basado en un modelo previo de bastidor de semirremolque desarrollado por el departamento de ingeniería mecánica de la universidad de Zaragoza para la empresa Leciñena. El modelo de semirremolque diseñado es del tipo bañera. Este tipo de semirremolques son utilizados para transportar grandes pesos en su caja, siendo su uso más común el de transportar por carretera materiales de desmonte o para rellenos durante las explanaciones de las obras de carretera, y transportar aglomerado asfáltico durante la ejecución del firme. Además posee un sistema basculante para descargar la carga de una forma más llevadera. Se puede ver un semirremolque de tipo bañera en la imagen de debajo (Figura 2). Figura 2. Ejemplo de Semirremolque tipo bañera Para poder realizar las simulaciones adecuadas y poder obtener resultados acerca de los esfuerzos, deformaciones, desplazamientos y demás que la estructura pudiese sufrir en un caso real, se utilizó la herramienta informática PATRAN para diseñar una estructura de elementos finitos con la que poder trabajar. Este modelo en particular está formado por 84575 elementos y 85078 nodos que forman todos los elementos que posee este bastidor, no sólo los largueros a los que este proyecto se refiere, sino también otros elementos como refuerzos, chapas, ejes, escudos… 13 Los criterios que se tendrán en cuenta para que el experimento sea válido serán los siguientes: 1. Criterios sobre los límites del espesor:  ± 1mm para los cambios de espesor en los tramos del alma.  ± 2mm para los cambios de espesor en los tramos de las alas. 2. Criterios de resistencia: El criterio más importante. Los valores de la tensión de Von Mises en las zonas más críticas que se mostrarán a continuación no pueden superar unos límites establecidos según los coeficientes de seguridad originales en cada zona.  Las zonas con CS = 1.0 NO podrán aumentar su tensión.  Las zonas con 1.1 < CS < 1.5 podrán sufrir ligeras variaciones.  Las zonas con 1.5 < CS < 1.7 podrán sufrir variaciones moderadas, pero nunca rebajando su CS a menos de 1.5. 3. Criterios de rigidez: Los desplazamientos máximos no deberán aumentar de forma considerable respecto a los valores de la anterior optimización. Todos estos criterios se basan en los valores de espesor, tensión y desplazamientos del modelo que se toma como referencia para este proyecto, la optimización 7. En las siguientes tablas se podrán ver estos valores de referencia para los criterios de tensión y coeficiente de seguridad (Tabla 2) y para el desplazamiento en las tres direcciones (Tabla 3). Figura 11. Zonas críticas 14 Para comprender la nomenclatura que aparece en la Tabla 2 de las zonas, se muestra en la siguiente imagen donde se sitúa cada una de ellas (excepto las referentes a los largueros ya que por nomenclatura numérica es más sencillo saber su posición y así se observa mejor el resto de zonas en la figura). Las zonas con coeficiente de seguridad en rojo serán las que más habrá que tener en cuenta, ya que son las más susceptibles de provocar fallos en la estructura, al estar más cerca del límite de fluencia. SENTIDO POSITIVO SENTIDO NEGATIVO OPTIMIZACIÓN 7 Dirección longitudinal(mm) 12,33 -1,85 Dirección transversal(mm) 13,56 -13,57 Dirección vertical (mm) 0,00 -69,29 El desplazamiento negativo en la dirección vertical es el de mayor magnitud debido al gran peso que debe soportar la estructura, este desplazamiento se localiza en la zona central del bastidor del semirremolque. El propósito de este proyecto será el de intentar disminuir la masa de la estructura procurando mantener estos valores en unos intervalos similares. Tabla 2. Valores de referencia de tensión de VM y CS Tabla 3. Valores de referencia de desplazamientos 15 PRIMEROS RESULTADOS Y POST-PROCESAMIENTO DE LOS MISMOS Una vez que el programa OPTIMUS finalizó sus cálculos, el siguiente paso para el proceso de optimización era el de analizar todos los resultados de todos los experimentos que el programa había calculado. Durante este proceso de cálculo surgieron numerosos problemas con el software que limitaron en cierta medida la exactitud de los resultados, ya que el diseño de experimentos estaba programado en un principio para realizar en torno a 1000 experimentos alrededor del punto nominal (todos los valores de espesor iniciales) que se había impuesto. Por razones de compatibilidad de los programas informáticos y por otros relacionados con la antigüedad del software sólo se pudieron calcular en torno a los 250 experimentos y por lo tanto se decidió continuar con el proceso de optimización a partir del mejor de los experimentos que se observaron de todos los que habían sido calculados, el experimento 135 (el cual se nombrará varias veces durante este informe). Si se desea se pueden consultar todos los experimentos de la optimización en el Anexo 2. Se realizaron otros dos intentos para conseguir realizar los 1000 experimentos que en un principio se habían diseñado, pero tras dos nuevos errores del programa y al ver que el tiempo perdido en estos intentos retrasaba en demasía el proyecto (cada intento podía retrasar unos 15 días la finalización del proyecto) se llegó a la conclusión de seguir a partir del mejor de los experimentos. La idea principal del cálculo de la solución óptima consistía en dar la mayor cantidad de datos, limitaciones, restricciones y singularidades posibles del modelo al programa OPTIMUS para que éste, directamente, llegase a una solución óptima, y a partir de ella corroborar los resultados y hacer pequeñas modificaciones si fuese necesario. Pero al surgir todos estos problemas de compatibilidad se optó por seguir un camino diferente. A partir del experimento 135, que ya se ha nombrado, se comenzó un proceso de optimización paralelo que consistía en un sistema “prueba – error”. El experimento 135 era, de todos los que habían sido calculados, el que mejor cumplía los requisitos de tensión impuestos en las zonas más problemáticas de la estructura siendo además uno de los que más había conseguido disminuir su masa. A partir de este experimento se comenzó el método “prueba – error” anteriormente comentado. Desde este punto se utilizó el programa ABAQUS para observar minuciosamente las zonas más y menos solicitadas de toda la estructura y a partir de ahí, hacer los cambios que se consideren necesarios tanto para disminuir la masa de la estructura (aligerando las zonas menos solicitadas) como para asegurar la integridad de la misma (reforzar las zonas más complicadas). 16 Tras hacer estos cambios, se introducía el nuevo diseño otra vez en el programa OPTIMUS para poder observar si los cambios llevados a cabo habían sido satisfactorios o no para la consecución de los objetivos establecidos. Los cambios realizados (siempre referentes al espesor de los largueros) debían ser de poca magnitud para que se pudiese observar correctamente si eran positivos para el proceso de optimización. Por otra parte, la razón por la que se introducían de nuevo los cambios en el programa OPTIMUS, a pesar de ser un programa de optimización por cálculos matemáticos, era porque en este programa ya estaban preestablecidos los criterios de viabilidad y se permitía observar directamente en tablas las tensiones en las zonas más críticas de la estructura y valorar si el nuevo diseño era o no correcto. Si se observaba que los datos que daba el programa OPTIMUS para el nuevo diseño eran incorrectos (normalmente en algunas zonas, sobre todo al principio, los valores de tensión salían de los límites) se volvían a establecer los valores de espesor previos en las zonas que sobrepasaban los límites. Si los datos eran aceptables se proseguía a analizar minuciosamente el nuevo diseño en el programa ABAQUS y llevar a cabo el mismo proceso, análisis de las zonas más y menos solicitadas para aligerar o reforzar según fuese necesario. Con este proceso se crearon 8 modificaciones respecto del modelo original hasta llegar al diseño final en el que cualquier cambio perjudicaría tanto a la masa del bastidor, como a la fabricación del mismo. En la imagen de abajo (Figura 12) se puede ver el proceso de optimización desde el diseño inicial que pasa por las sucesivas modificaciones hasta llegar a la solución óptima. Figura 12. Proceso de optimización 17 RESULTADOS Y ANÁLISIS Tras las 8 modificaciones realizadas sobre el modelo inicial siguiendo el proceso de optimización que se ha explicado en el apartado anterior, en esta sección se mostrarán los resultados relevantes que se han ido obteniendo en cada una de estas modificaciones para que el lector pueda observar la tendencia de los cambios realizados y como repercuten en los criterios establecidos. En los cambios en los espesores de cada tramo se puede ver que destacan 3 tipos diferentes de modificaciones: 1. Cambios debidos a la necesidad de reforzar determinadas zonas, como ocurre en el cambio de espesor del experimento 135 al revisado para subsanar los fallos. 2. Cambios debidos a la necesidad de normalizar las medidas de espesor de las chapas, ya que éstas se venden en unas medidas estándar, y por tanto los resultados debían regirse por ellas. Se observa en el cambio de espesores del experimento 135 revisado al normalizado, en el que sólo se usan chapas don múltiplos de 0.5. 3. Cambios realizados para aligerar la masa de la estructura, como sucede en los 5 experimentos siguientes al normalizado. Seguidamente se expondrán las tablas con los cambios de espesor en los tramos del alma y alas de los largueros en cada uno de los experimentos revisados. El experimento normalizado se basa en el experimento anterior, del cual se han redondeado los valores del espesor a valores enteros. También cabe explicar que las sucesivas “Ms” que se escriben en el nombre de los experimentos quieren dar información del número de mejora que se está llevando a cabo. Además los colores utilizados para las celdas tienen diferentes significados según la comparación entre el modelo inicial y la solución final:  Verde – El espesor de ese tramo en la solución final es menor que en la inicial.  Azul – El espesor de ese tramo en la solución final es mayor que en la inicial.  Morado – El espesor de ese tramo en la solución final es igual que en la inicial. 18 Tabla 4. Proceso Optimización espesor Alma En esta tabla puede verse como se ha podido reducir el espesor de todos los tramos del alma excepto dos, incluso uno de ellos ha tenido que ser aumentando para poder disminuir los tramos adyacentes (esto se debe a que en la zona referente al tramo 13 del alma existe una de las mayores concentraciones de tensión que se verá más adelante). Cabe destacar también que en el experimento revisado se aumento el espesor del tramo 7 para intentar reforzar una zona crítica adyacente, luego se observó que no era necesario y que aumentando el espesor del ala superior era suficiente para mantener la resistencia. El resto de tramos sigue una evolución lineal en la que se ha intentando disminuir poco a poco su espesor observando los posibles defectos en ABAQUS. Tabla 5. Proceso Optimización espesor Ala Superior 19 En el Ala superior sólo es necesario aumentar el espesor del tramo 15 para mantener la misma resistencia disminuyendo considerablemente la masa del elemento. También se observa que respecto al primer experimento es necesario aumentar el espesor del tramo 7 relacionado con el mismo tramo del alma como se ha comentado antes. Se observa como ha sido necesario realizar varias variaciones de espesor en los tramos colindantes hasta llegar a una situación que cumpla todos los requisitos. Tabla 6. Proceso Optimización espesor Ala Inferior El ala inferior es el elemento más solicitado de los largueros y se observa en esta tabla al haber tenido que aumentar dos tramos de espesor y conservarlo en otros 4. Esto se entiende también con el aspecto de que los tramos del 6 al 16 están fabricados en acero SB2000, el cual tiene más de un 60% más de resistencia que el acero del que están hechos el resto de tramos (S355) y que por tanto, desde un principio, se sabía que iban a tener que soportar tensiones mayores. Es por todo esto por lo que en varios de esos tramos no se ha podido reducir el espesor e incluso en algunos ha habido que aumentarlo para compensar la reducción de otros. A pesar de todo se ha conseguido una reducción de espesor considerable tanto en las alas como en el alma, ya que se ha conseguido reducir el espesor del 87 % de los tramos, lo que implica un ahorro de peso más que aceptable como se podrá ver en apartados siguientes. Como aspecto importante de diseño, se intentó que la distribución de espesores de la solución final en los tres elementos estuviese bien distribuida, es decir, que no hubiese saltos entre los espesores de las chapas colindantes, por eso se ha intentado que los aumentos y disminuciones fueran progresivos, para no tener que acoplar, por ejemplo, en tres tramos seguidos, una chapa de 4mm con otra de 5mm y otra de 6.5mm. Ha habido zonas en las que no se ha podido seguir este patrón como en los tramos en los 11-12-13 y 14 del ala inferior, pero se ha intentado mantener este criterio en la medida de lo posible. 20 Todas estas modificaciones y cambios en los espesores de los diferentes tramos en los que se han dividido los largueros son consecuencia principalmente del exceso o carencia de tensión en las zonas que se van a mostrar a continuación. Estas zonas coinciden con las que ya se mostraron en otros apartados de la memoria y que son a las que era conveniente prestar especial atención, ya que eran las que menor coeficiente de seguridad tenían en la anterior optimización (se han elegido todas aquellas zonas que tenían un coeficiente de 1.7 o menor). Tabla 7. Variación de la tensión de Von Mises en las zonas críticas Se observa como la mayoría de las zonas de tensión han aumentado, pero se encuentran dentro de los límites que se establecieron previamente en el apartado “diseño de la optimización”. Esto se debe a que la mayoría eran zonas que podían sufrir algo más de tensión en beneficio de la masa de la estructura, aun así el aumento es bastante escaso y por tanto se considera el resultado como viable. Puede verse como hay zonas como el Ala inferior 10, Alma 14, Ala superior 6-8 y Refuerzo del alma han sufrido variaciones en ambos sentidos, aumentando y disminuyendo sus tensiones máximas conforme se iban llevando a cabo experimentos. Éstas han sido las zonas más difíciles de delimitar, ya que dependían de más tramos que el resto de las zonas. Sin embargo hay otras zonas en las que se atisba un cambio constantes, ya sea hacia arriba o hacia abajo, en las cuales fue más sencillo alcanzar una solución óptima. Para acabar con el criterio de resistencia se expondrán los valores de los coeficientes de seguridad al inicio y al final de la optimización para que el lector pueda compararlos y ver que la variación de ellos ha sido mínima, que, por otra parte, era lo que se buscaba desde un principio. 21 Tabla 8. Variación del coeficiente de seguridad Se ve que la variación es prácticamente nula excepto en las zonas con coeficientes mayores, donde se permitían cambios de mayor magnitud. Por otra parte es evidente que si se quiere minimizar la masa de una estructura es lógico que algunas de las cualidades resistivas del bastidor se vean afectadas, pero el propósito de este proyecto es que este cambio sea el menor posible. Se puede ver una comparación con imágenes más concretas de las zonas más afectadas en el Anexo 3 de la memoria. Por último queda mostrar los resultados de rigidez que ha dado el nuevo modelo. En la siguiente tabla se observará la comparación entre los desplazamientos máximos en las tres direcciones de la estructura. SENTIDO POSITIVO SENTIDO NEGATIVO OPTIMIZACIÓN 7 U1 longitudinal (mm) 12,33 -1,85 U2 transversal (mm) 13,56 -13,57 U3 vertical(mm) 0,00 -69,29 OPTIMIZACIÓN 8 U1 longitudinal (mm) 12,62 -1,99 U2 transversal (mm) 13,60 -13,60 U3 vertical (mm) 0,00 -70,29 Como se ve, la diferencia entre los valores máximos es prácticamente mínima, por lo tanto queda demostrado que también se han cumplido los criterios acerca de la rigidez de la estructura. Ahora se especificará con más detalle y con imágenes explícitas las zonas donde se crean estos desplazamientos máximos. Tabla 9. Desplazamientos máximos 22 Figura 13. Desplazamiento U1 longitudinal Como se ve en la figura, el desplazamiento máximo (el color rojo en este caso) se encuentra en el eje inferior que une los dos largueros, es más, toda la zona de alrededor de dicho eje es la que mayores desplazamientos en esta dirección sufre. Esto se debe a que los actuadores que elevan la carga están situados en una zona muy cercana, y por lo tanto, cargan la parte central de los largueros. Figura 14. Desplazamiento U2 transversal En el caso de la dirección transversal, los desplazamientos son máximos e iguales en los dos sentidos en la zona central del alma (colores rojo y azul). Se debe, al igual que en la dirección 1, a que la zona central del alma sufre grandes esfuerzos de compresión debido al trabajo que ejercen los actuadores situados próximos a esta zona. Figura 15. Desplazamiento U3 Vertical 29 AHORRO EN LOS COSTES Todos los cambios realizados en esta estructura durante la elaboración de este proyecto, ya sean cambios de espesor de los tramos en los que se han dividido los largueros o cambios de material de los mismos van encaminados hacia un mismo fin, disminuir los costes. En este apartado se mostrará como todos estos cambios han conseguido mejorar no sólo aspectos como el peso de la estructura, sino también otros como el coste de fabricación, el coste de los materiales, el consumo de combustible… Los precios que se tendrán en cuenta para la compra de acero (los precios que se estipulan son los relacionados con grandes compras de acero, es decir, compra de grandes tonelajes) para el coste del combustible (gasoil en este caso por ser utilizado el semirremolque por camiones) y para el consumo medio de un camión típico a la hora de realizar el transporte serán los siguientes:  Acero S-275 = 0.6 €/kg  Acero S-355 = 0.65 €/kg  Acero S-500MC = 0.7 €/kg  Acero SB-2000 = 0.75 €/kg  Acero S-700MC = 0.8 €/kg  Acero S-960MC = 0.9 €/kg  Gasoil = 1.36 €/litro  Consumo medio = 32.3 litros/100km Para obtener todos estos valores de consumos y precios se ha buscado por foros y páginas de fabricantes de camiones y en la página web de la empresa SSAB, que se dedica a la producción y venta de aceros. También se debe tener en cuenta que para calcular el ahorro de combustible se ha utilizado la aproximación corroborada en varios sitios webs acerca de transporte de mercancías terrestre de que un ahorro de 100 kg en la carga de un camión con este consumo medio, supone un 5% menos de consumo de combustible. Por lo tanto el ahorro en costes conseguido con esta optimización del proyecto puede observarse en la tabla 16. Se ha separado el modelo optimizado con el análisis de material del que simplemente se optimiza para reducir el peso de la estructura para poder diferenciar el efecto de la reducción de la resistencia del acero en el coste. Tabla 16. Ahorro de costes 30 Se observa que se consigue un ahorro de casi 100 € con la optimización y el cambio de materiales, siendo el efecto de esta reducción del nivel del acero de unos 15€ (se debe entender que estos valores están supeditados al precio de la compra del acero en grandes tonelajes). Por el contrario con la utilización de aceros de alta resistencia para algunas zonas el ahorro disminuye casi en 40 €, siendo aún así menor que el coste de la estructura original. En la celda del ahorro total de la optimización con aceros de alta resistencia se ha restado además el sobrecoste de los elementos a los que se les aplica el acero de alta resistencia pero que no pertenecen a los largueros como los escudos, la chapa kingpin y demás. En cuanto al consumo de combustible el ahorro puede parecer escaso, pero los transportistas realizan una enorme cantidad de kilómetros a lo largo de todo el año, y cualquier reducción es sus costes se puede considerar como una gran ventaja en cuanto a sus ingresos. Si se quiere observar más detenidamente los cálculos realizados para llegar a estas conclusiones se puede ojear el Anexo 5 de esta memoria, donde aparecen todos los cálculos perfectamente explicados. 31 CONCLUSIONES Las conclusiones finales de este proyecto se pueden resumir en los siguientes términos:  Se ha conseguido disminuir la masa de los largueros de la estructura en casi un 15%.  Se han mantenido los valores de resistencia y rigidez iniciales.  Se ha intentado que los cambios en los espesores sean lineales para facilitar la fabricación.  Se ha conseguido un ahorro significativo tanto en materiales como en consumo de combustible.  Con el cambio de materiales se ha conseguido un ahorro en costes todavía mayor. Como otras reseñas importantes:  Quizás podría hacerse una continuación de este proyecto usando aceros de alta resistencia para toda la estructura y programas de software de optimización más modernos que puedan vincularse con archivos de ABAQUS más recientes, así se conseguiría una mejor definición.  La realización de este proyecto ha permitido conocer con bastante profundidad el uso de herramientas informáticas de elementos finitos y optimización que pueden ser útiles en el futuro.  Resaltar la gran dificultad que ha existido en este proyecto a la hora de vincular los programas informáticos a utilizar debido a la antigüedad de algunos de ellos.  La elaboración de un proyecto que proviene de una petición real de una empresa real permite conocer mejor como funcionan los métodos de trabajos de los ingenieros en este campo.  El tiempo empleado para la realización de este proyecto ha sido de aproximadamente 5 meses, dos de los cuales fueron necesarios para aprender a utilizar el software y para poder vincular unos a otros.  Como opinión personal se considera que se ha conseguido un resultado más que aceptable para este proyecto, partiendo de la idea de que anteriores optimizaciones habían conseguido disminuir el peso de la estructura en 20-30 kg (claro está que en esta optimización disminuir la masa era el objetivo principal, cosa que no ocurre en varias de las anteriores optimizaciones). 32 BIBLIOGRAFÍA  Guías y manuales de uso de: o PATRAN: http://simcompanion.mscsoftware.com o ABAQUS: http://abaqus.ethz.ch:2080/v6.5/ o OPTIMUS: Getting started with OPTIMUS, “NOESIS”  Optimizaciones previas del modelo (presentaciones de PPT proporcionadas por los directores del proyecto).  Imágenes de semirremolques semejantes: http://www.lecinena.es/  Valores de precio de combustible y consumo de camiones de transporte: o http://www3.scania.com/es/New-V8-truck-range/Ventajas-V8/ o http://www.volvotrucks.com/trucks/spain-market/es o http://www.dunlop.eu/dunlop_eses/what_sets_dunlop_apart/eu-tire- label-explained/truck/fuel-efficiency/index.jsp o http://www.goodyear.eu/es_es/tire-advice/safe-driving/drivingtips/fuel-saving-tips.jsp  Precio aceros: http://www.ssab.com