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PROYECTO FIN DE CARRERA (Ingeniería Técnica Industrial Mecánica) CÁLCULO Y OPTIMIZACIÓN MEDIANTE EL M.E.F. DE UN CHASIS DE SEMIRREMOLQUE PARA BASCULANTES Universidad de Zaragoza E.U.I.T.I.Z Dpto. Ingeniería Mecánica Director de Proyecto: Dr. Ing. Ind. Marco Carrera Alegre Autor: Adolfo Vicente García Diciembre 2010 Departamento de Ingeniería Mecánica Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes i INDICE MEMORIA TÉCNICA INDICE ............................................................................................................................. I MEMORIA TÉCNICA ................................................................................................... I 1.- DEFINICIÓN DEL PROYECTO ........................................................................... 3 1.1.- T ITULO DEL PROYECTO .......................................................................................... 3 1.2.- D EFINICIÓN ........................................................................................................... 3 1.3.- A GRADECIMIENTOS ............................................................................................... 3 2.- OBJETO DEL PROYECTO ................................................................................... 4 3.- PLANIFICACIÓN .................................................................................................... 5 3.1.- P LANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................................... 5 3.2.- D ESCRIPCIÓN DE LAS FASES DEL PROYECTO .......................................................... 5 3.2.1- Cálculo preliminar del chasis del semirremolque ........................................ 6 3.2.2- Análisis e interpretación de los resultados del modelo inicial .................... 10 3.2.3. Optimización del modelo inicial ................................................................... 10 4.- CÁLCULO PRELIMINAR DE LA ESTRUCTURA POR EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS ............................................................................................. 12 4.1. E L MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS .............................................................. 12 4.1.1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 12 4.1.2. ABAQUS: PROGRAMA DE ELEMENTOS FINITOS.................................. 15 4.1.2.1. Patran ........................................................................................................ 16 4.1.2.2. Abaqus ....................................................................................................... 20 4.1.2.3. Abaqus viewer ........................................................................................... 21 4.2.- M ODELO DE ELEMENTOS FINITOS UTILIZADO ...................................................... 21 4.3.- P ROPIEDADES DE LOS MATERIALES ..................................................................... 28 4.4.- C ONDICIONES DE CONTORNO Y CASOS DE CARGA ................................................ 30 4.4.1.- Condiciones de contorno ............................................................................. 30 4.4.2.- Casos de carga ............................................................................................ 34 Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes i 4.5.- E VOLUCIÓN DEL PROYECTO Y REPLANTEO DE UNOS COMPONENTES DEL CHASIS . 37 4.6.- R ESULTADOS OBTENIDOS PARA EL CHASIS DE SEMIRREMOLQUE PARA BASCULANTES . ............................................................................................................ 38 4.7.- C ONCLUSIONES DE LOS RESULTADOS DEL CÁLCULO PRELIMINAR ....................... 51 5.- REDISEÑO Y OPTIMIZACIÓN DEL MODELO INICIAL ............................ 53 5.1.- M ODIFICACIÓN 1: CARTABONES DE REFUERZO EN LOS BULONES ......................... 53 5.2.- M ODIFICACIÓN 2: NERVIOS DE REFUERZO EN EL CAMBIO DE SECCIÓN ................. 69 6.- COMPARATIVA DE RESULTADOS ENTRE EL MODELO INICIAL Y SU REDISEÑO Y OPTIMIZACIÓN. CONCLUSIONES ............................................. 85 6.1.-C OMPARATIVA DE RESULTADOS ........................................................................... 85 6.2.- C ONCLUSIONES ................................................................................................... 87 7.- CONCLUSIONES FINALES ................................................................................ 90 8.- BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 91 9.- ENLACES ................................................................................................................ 92 Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 3 1.- DEFINICIÓN DEL PROYECTO 1.1.- TITULO DEL PROYECTO CÁLCULO Y OPTIMIZACIÓN MEDIANTE EL M.E.F. DE UN CHASIS DE SEMIRREMOLQUE PARA BASCULANTES 1.2.- DEFINICIÓN El presente proyecto consiste en el cálculo y optimización mediante el Método de los Elementos Finitos de un chasis de un semirremolque para basculantes respecto uno inicial facilitado por la empresa Leciñena S.A. Este se lleva fabricando desde hace tiempo en la empresa fundamentándose en la experiencia de la misma en el sector y por tanto se desconoce cómo se distribuyen las tensiones y si algún elemento del mismo está sobredimensionado, de esto la necesidad del proyecto. La finalidad será un análisis de cálculo y simulación mediante elementos finitos capaces de reproducir el comportamiento del chasis teniendo en cuenta la situación más desfavorable del semirremolque. Después de haber analizado cómo trabaja cada elemento del chasis, se pasará a la parte de optimización, cuya finalidad es conseguir una buena distribución de tensiones y después ahorrar en lo posible peso en la estructura. Por último, y no menos importante, se darán una serie de conclusiones relativas a cómo se comporta el chasis del semirremolque para basculantes original y las posibles optimizaciones frente a este primero. 1.3.- AGRADECIMIENTOS A mi familia por su apoyo a lo largo de estos años de formación. A Pilar, por ayudarme cada segundo de este último año y por recordarme lo importantes que son las sonrisas…por una vida juntos. A Jesús, Diego, Félix, José Eduardo y David, por hacerme entender lo que significa la palabra “amigo” y haber compartido parte de nuestras vidas estos años. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 4 A Fran, lo más cercano a un hermano, por tu paciencia, buenos y malos momentos que hemos pasado. A todos de Bello que compartimos tan buenos y malos momentos, siempre juntos. A la gente del C.M.U. Xavierre y todos aquellos que nuestros caminos se cruzaron en algún momento consiguiendo entablar una buena relación. Por último, y no menos importante, agradecer la ayuda prestada por el director de proyecto, D. Marco Carrera Alegre, por haberme enseñado una parte magnifica de la ingeniería, por su paciencia y esfuerzo por ayudarme a pesar de no disponer casi de tiempo para ello; sin todo esto no hubiera sido posible concluir a tiempo este proyecto. 2.- OBJETO DEL PROYECTO El objeto del presente proyecto es calcular y optimizar el chasis de un semirremolque sujeto a unas determinadas condiciones de carga y funcionamiento. El estudio realizado supondrá la ejecución de tareas de numéricas de cálculo y simulación basadas en el método de los elementos finitos, capaces de reproducir el comportamiento de la estructura analizada ante los casos de carga aplicados, los cuales se realizarán de modo que proporcionen información del estado de deformaciones y tensiones que existen en cada uno de los componentes de la estructura. Hay que estudiar previamente a las cargas y condiciones que está sometido el chasis, en un primer momento como valor numérico y en segundo la manera de modelizarlas en los programas que se van a utilizar. Por último, y partiendo de los resultados obtenidos numéricamente, se procederá a la optimización del chasis por medio del rediseño de algunos de sus componentes llegando a un diseño mejorado respecto del inicial frente a las condiciones exigidas. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 5 3.- PLANIFICACIÓN 3.1.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Como se ha citado anteriormente, el proyecto consiste en un cálculo y un rediseño del chasis de un semirremolque para basculantes fabricado en acero por la empresa Leciñena S.A durante años y lo quieren mejorar. Para ello se necesita conocer cómo se distribuyen las tensiones (deformaciones) del semirremolque. Esto es la primera parte del proyecto que se hace mediante los elementos finitos, debido (como se ha comentado con anterioridad) a que este semirremolque no se había sometido a ningún tipo de estudio, sino que se limitaba a una construcción fundamentada en la experiencia de muchos años de fabricación. Al final del análisis y la optimización lo más importante es una serie de conclusiones que se fundamentan principalmente en coeficientes de seguridad de los elementos del chasis y pesos del chasis, que relacionan las optimizaciones con el modelo primitivo. 3.2.- DESCRIPCIÓN DE LAS FASES DEL PROYECTO Para cumplir con los objetivos finales del proyecto éste debe constar de una serie de fases que comprenden tanto tareas numéricas de cálculo y simulación, interpretación de los resultados y otras para conseguir la optimización del semirremolque proporcionado inicialmente. A continuación se muestra de forma esquemática las diferentes fases de que consta el proyecto. Una descripción más detallada de cada una de ellas se muestra en los puntos presentados a continuación de éste. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 6 CILINDRO CHASIS Figura 3.1: Esquema de las diferentes fases del proyecto. 3.2.1- C ÁLCULO PRELIMINAR DEL CHASIS DEL SEMIRREMOLQUE Se tiene de partida un chasis de un semirremolque para basculantes fabricado en acero (véase la figura 3.2), el cual habrá que modelar para poder calcular previamente. Figura 3.2: Ejemplo de un semirremolque basculante Se puede apreciar en la imagen anterior dos partes diferenciadas en este tipo de semirremolques: el chasis y el basculante. Este último es lo que se denomina como el Cálculo preliminar del chasis del semirremolque por el método de los elementos finitos Análisis e interpretación de los resultados del modelo inicial Optimización del modelo inicial BASCULANTE Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 7 “carrozado del semirremolque”, que consiste a que a partir de un chasis ya fabricado, se le acoplan una serie de elementos: laterales, viguetas, arcos, portones… de los cuales cabe destacar los cilindros. Estos elementos pueden ser dos como en la figura 3.3 o pueden ser uno como se aprecia en la figura 3.2. En cuanto al chasis, es la parte que se va a analizar. Este está dividido de manera muy general en los siguientes elementos: Kingpin, largueros, pies de apoyo, travesaños, escudos y la zona de ejes. Se puede observar de manera genérica estos elementos en la figura 3.3 y en la figura 3.4. Figura 3.3: Ejemplo de un semirremolque basculante en la operación de basculado. CILINDROS BASCULANTE ZONA DE EJES KING-PIN LARGUEROS Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 8 Figura 3.4: Semirremolque basculantede Leciñena S.A. Para el cálculo hay que tener en cuenta cómo está solicitado este tipo de semirremolques, para lo cual se considera una capacidad de carga del basculante de 35 Toneladas (que es la que generalmente tienen todos los semirremolques de este tipo). En cuanto a la situación que se va a analizar, es la más desfavorable, es decir, es en la situación de descarga, como se puede apreciar en la figura 3.3. Este tipo de chasis, si soporta la situación descrita, no hace falta analizar otra (como puede ser la de giro de radio mínimo, subida de un escalón…) ya que las solicitaciones son mucho menores. En relación con las condiciones de contorno existen dos: la unión King-pin con la quinta rueda y el sistema de arriostramiento. Esta unión se puede observar en la figura 3.5 y está compuesta por dos partes, la quinta rueda (una plataforma que va acoplada en la cabeza tractora que sirve de apoyo al semirremolque, que va engrasada para reducir el coeficiente de rozamiento) y el King-pin, que es un elemento unido al chasis en su parte delantera, que se acopla con la quinta rueda y lo que permite es un giro relativo entre semirremolque y cabeza tractora, pudiendo aportar a su vez un movimiento lineal al semirremolque. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 15 8. Definir las condiciones de contorno aplicadas al sistema y formular el vector de fuerzas nodales {F} así como definir desplazamientos, nodos fijos, contactos, cargas, temperatura, etc. 9. Resolver el conjunto de ecuaciones algebraicas lineales resultante usando los métodos apropiados. 10. Resolver tensiones y deformaciones locales de elementos. Calcular tensiones y deformaciones en lámina y comparar con el criterio de rotura. Una vez que se han establecido las características de los nodos o los elementos las ecuaciones individuales deben ensamblarse para formar un sistema global de ecuaciones que describa la respuesta general del sistema. Este ensamblaje, el cual aparece en el punto 9, da lugar a un conjunto de ecuaciones algebraicas lineales cuya forma básica es la siguiente: [K]{u}={f} en donde: [K] es una matriz (nxn) de rigidez del sistema; {u} es un vector columna (nx1) que normalmente representa las deflexiones del sistema que son desconocidas {f}, es un vector columna (nx1) que normalmente son las cargas aplicadas que son conocidas. 4.1.2. ABAQUS: PROGRAMA DE ELEMENTOS FINITOS Un programa de cálculo de Elementos finitos, sea cual sea el tipo de problema, tiene tres partes (o módulos) claramente diferenciadas, ver Figura 4.1 . En letra negrita aparecen los nombres de los programas comerciales utilizado en cada uno de los módulos o partes. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 16 Figura 4.1: Partes de un Programa de Elementos Finitos A continuación se explican las características del programa comercial utilizado para la realización de este proyecto, en concreto del paquete de elementos finitos ABAQUS. 4.1.2.1. P ATRAN Patran es el módulo de Preproceso utilizado en este caso con salida a Abaqus, en él se define el elemento a estudiar y el tipo de discretización deseada para la resolución del problema. Para ello se siguen los siguientes pasos • Geometría: El objeto a estudio se define su geometría por medio de coordenadas u otros elementos de ayuda auxiliar (rectas, circunferencia, etc.,..). • Discretización: El sólido que queremos analizar se divide en nodos, en donde se consideran los grados de libertad del objeto a estudio, y elementos, los cuales forman la malla de nuestro estudio conectando los nodos. Este apartado es muy importante ya que hay que definir el Módulo de PREPROCESO: PATRAN Módulo de CÁLCULO: ABAQUS Módulo de POST-PROCESO: ABAQUS VIEWER Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 17 elemento con el cual se va a discretizar el objeto. Una vez elegido el elemento a utilizar la discretización se puede realizar de forma automática o generando elemento a elemento. Abaqus posee una librería muy amplia de elementos que pueden ser utilizados dependiendo del tipo de geometría sobre la que se quiera efectuar el cálculo y de la precisión que se desea en el mismo dentro del propio elemento. En la Figura 3.12 se muestran los distintos tipos de elementos: Elemento Membrana Elemento tipo Shell Elemento Viga Elemento Infinito Elemento tipo 3D Elemento Rígido E LEMENTOS CONECTORES como muelles y amortiguadores Elemento tipo Entramado Figura 4.2: Tipos de Elementos Abaqus tiene un criterio a la hora de nombrar los distintos elementos de su librería. A continuación se detalla la manera que tiene este programa de nombrar a los elementos. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 18 a) Elementos unidimensionales, bidimensionales, tridimensionales axisimétricos. Opcional: Transferencia de calor co nvección/difusión (D) Temperatura-desplazamiento (T) Piezoeléctrico (E) o Presión (P) C 3D 20 R H T Híbrido (opcional) Opcional: Integración reducida (D) Modo incompatible (I) o modificado (M) Número de nodos Carga-desplazamiento (C), Transferencia de calor o difusión de masa (DC), Transferencia de calor Convección/Difusión (DCC) o acústica (AC) Unidimensional (1D), Tensión Plana (PS), Deformación Plana generalizada (GPE), bidimensional (2D), tridimensional (3D), axisimétrico (AX) o axisimétrico con torsión (GAX) b) Elementos axisimétricos con deformación no lineal asimétrica. C AXA 8 R H P N Híbrido (opcional) Integración reducida (Opcional) Número de nodos Tensión/desplazamiento Axisimétrico con no linealidad, deforma ción asimétrica Número de modos de Fourier Presión (opcional) • Materiales: Se define la característica del material del cual está hecho nuestro sólido (módulo elástico, coeficiente de dilatación, etc). En Patran se puede introducir la curva del material (pares de valores tensión – deformación) con la precisión que se quiera (tantos pares de valores como se precise). Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 19 • Cargas y condiciones de contorno: Por último se definen las cargas a las que está sometido el sólido, condiciones de apoyo en desplazamiento y contactos entre distintas superficies. Una vez llegado a este paso la etapa en Patran ha finalizado pero antes éste prepara la información para ser enviada a la siguiente etapa, procesador o programa principal, e imprime o dibuja por pantalla de forma interactiva la geometría inicial y las condiciones para que sean verificadas por el usuario. Posteriormente, deberá obtenerse un fichero de datos (input) en el cual se especifica todos los parámetros necesarios para, posteriormente, llevar a cabo el cálculo. Este fichero contiene la siguiente información: • En primer lugar, aparece un listado de todos los nodos que forman parte del modelo y con las coordenadas espaciales de cada uno de pendiendo del sistema de referencia utilizado. • A continuación, aparecen los distintos grupos de elementos existentes. Cado uno de los grupos se especifican de la siguiente forma: primero aparece un listado del conjunto de nodos que forman parte de dicho grupo (NSET) y, después, se enumera cada elemento detallando el conjunto de nodos que forma parte del mismo (ELSET). • En el siguiente bloque se asigna a cada uno de los grupos el material correspondiente según las especificaciones dadas. Además, cuando se trata de elementos tipo lámina (SHELL) se especifica el espesor, el número de puntos de integración y el sistema de orientación de cada grupo de elementos. • Después, se definen los materiales utilizados. En este bloque se especifica el nombre del material y las distintas propiedades asociadas a los mismos (densidad, módulo elástico, límite de rotura, etc). • Posteriormente, se define el tipo de cálculo que va a realizarse (en este caso estático). • Por último, se especifican tanto las condiciones de contorno como las cargas aplicadas. En este caso aparece un listado de los nodos en los cuales se aplican las condiciones de contorno con sus correspondientes valores de restricción, y otro listado de los nodos en los que deben aplicarse las cargas con el correspondiente valor de las mismas. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 20 • Una vez obtenido y comprobado el fichero anterior, se realizará el proceso de cálculo en sí del modelo. En este caso, va a utilizarse el módulo de cálculo mediante elementos finitos Abaqus descrito a continuación. 4.1.2.2. A BAQUS Es el bloque en donde se da lugar el cálculo, realizando éste por medio de la aplicación del método de los elementos finitos a partir de la introducción e interpretación de los datos de la geometría, mallado, cargas, apoyo, contactos y material utilizados. Este bloque no necesita ninguna interacción con el usuario y la manera de ejecutarlo es decirle por medio de un comando que fichero queremos calcular. Una vez que se le ha ordenado la ejecución, el programa revisa el fichero obtenido del preproceso para obtener algún posible fallo de estructura de datos y si no hay errores da paso a la etapa de cálculo. Abaqus posee dos tipos de cálculo diferenciados que son los siguientes: • Abaqus/Standard. Corresponde con el método general de cálculo estático del programa. Es el más ampliamente utilizado en el cálculo de geometrías y permite calcular el comportamiento mecánico en cuanto a tensiones y deformaciones de cualquier estructura que le sea introducida y en cualquier dirección. En este módulo de cálculo se obtienen los resultados aplicando la teoría del Método de los Elementos Finitos mediante integración implícita, lo que implica mayor gasto computacional pero también mayor precisión. • Abaqus/explicit. Corresponde con el otro módulo de cálculo convencional de ABAQUS y está desarrollado con una estructura completamente vectorizada para su utilización en supercomputadores. El análisis dinámico con explicit está basado en la implementación de una regla de integración explícita junto con el uso de matrices masa diagonales o agrupadas. Permite el cálculo de cualquier estructura sometida a cargas dinámica en el tiempo. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 21 4.1.2.3. A BAQUS VIEWER Este bloque es el encargado de presentar la información obtenida durante el cálculo. Los módulos de cálculo, en este caso ABAQUS, escriben los resultados del cálculo en unos fichero de texto los cuales recogen toda la información por nodo y elemento pudiendo saber de esta manera los desplazamientos de los nodos, mapas de tensiones o deformaciones, deformada de la estructura, etc. Como el usuario no puede manejar de forma efectiva todo este volumen de datos es en este momento cuando intervienen los post-procesadores. Éstos representan de una forma gráfica todos los resultados obtenidos en el cálculo, pudiendo así obtener los resultados pedidos mediante una gradación de tonalidades y colores, y realizar a su vez vistas de cualquier ángulo posible. 4.2.- MODELO DE ELEMENTOS FINITOS UTILIZADO Partiendo de la geometría del chasis del semirremolque para basculantes se ha procedido a su modelado y mallado (discretización de cada uno de los componentes en elementos finitos) mediante la utilización del módulo de preproceso Patran comentado anteriormente. La geometría de partida es un archivo de extensión .gif, generado con SolidWorks (o un programa similar), véase figura 4.3. Esta geometría tiene el siguiente problema:no se puede mallar con elementos tipo “Shell”, que son los que se utilizan para modelizar este chasis. Esto se debe al uso de este tipo de elementos ya que es necesario tener previamente definida una superficie plana a la cual se le asocian este tipo de elementos. Figura 4.3: Chasis completo en formato .gif. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 22 Para entenderlo mejor hay que observar la figura 4.4 y la figura 4.5. en las que se ve un detalle de un elemento del chasis y se puede observar la cómo se representa la superficie en el .gif y cómo se debe dejar para poder en el siguiente paso mallarla. Figura 4.4: Detalle de un travesaño Figura 4.5: Detalle de la “superficie mallable” en un travesaño Después de tener preparada la “superficie mallable” se procede a mallar mediante elementos finitos, fundamentalmente tipo “Shell”, salvo algún elemento concreto que se hace con elementos sólidos (en una tabla posterior se explicará en los casos que hay un tipo u otro de esos elementos). En la figura 4.6 se puede apreciar el detalle de un travesaño trabajado y transformado en “superficie mallable” y modelado también mediante elementos finitos. Aplicando iterativamente esto a todo el modelo queda como puede apreciarse en las siguientes imágenes. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 23 Figura 4.6: Detalle de un travesaño mallado Figura 4.7: Chasis mallado, vista perspectiva isométrica. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 24 Figura 4.8: Chasis mallado, vista en otra perspectiva.. A continuación, en la tabla 4.1 se muestra en detalle el modelo de elementos finitos así como el tipo y el número de elementos utilizado en cada uno de los componentes del chasis del semirremolque para basculantes inicial antes de realizar ninguna optimización. COMPONENTE MODELO DE ELEMENTOS FINITOS NÚMERO DE ELEMENTOS TIPO DE ELEMENTO Puente (King-Pin) 44370 S4R Chapas de deslizamiento (King-Pin) 64431 S4R S3R Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 31 Figura 4.12: Ilustración de las condiciones de contorno y cargas. En ambos casos, se podría hacer una simplificación: apoyos puntuales para las ruedas y un empotramiento para la unión entre el King-Pin y el semirremolque, pero el problema es que al hacer esto en los modelos quedan unas concentraciones de tensiones que en la realidad no existen. También hay que sumar a esto que el sistema de suspensión de un semirremolque varía en altura en relación con el peso que se le carga gracias a los Diapress que llevan los ejes, sin contar el efecto de las ballestas y el amortiguador. Teniendo en cuenta esta situación se modela y aproxima al funcionamiento que aporta las ballestas y los amortiguadores a cada rueda como un muelle de una rigidez determinada (k1), como se puede observar en la figura 4.13. Además gracias al comportamiento elástico del muelle también se modifica la posición del chasis con el peso, como ocurre con el sistema de suspensión al completo descrito en el párrafo anterior. En cuanto a los otros muelles que aparecen en la figura 4.13 con rigidez (k2) se tratan de los que modelan a los Diapress que actúan con cada rueda, siendo el conjunto de ambos lo que modela el sistema de arriostramiento al completo. Hacer notar que la constante de rigidez de los Diapress, para acercar al modelo a la realidad se modela mediante una curva que no es lineal. Ejes King-Pin M TOTAL = 39 t Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 32 Figura 4.13: Condiciones de contorno de los ejes Para la aplicación de los muelles de rigidez k1, se han aplicado en nodos de referencia, que están en mitad de los bulones rígidos pertenecientes a los soportes de los ejes. En proyectos anteriores al presente se estudió la posibilidad de aplicarlas uniformemente distribuidas en los nodos pertenecientes a los extremos de los bulones pero, los resultados obtenidos de una forma u otra son muy similares por lo que la primera forma ahora para estas situaciones se aplica así (ya que es más sencillo aplicar las cargas sobre un único nodo que distribuirlas entre varios). Estos bulones rígidos van encajados a los soportes de las ruedas y mediante estos se transmiten las condiciones de contorno al modelo. En la siguiente figura se muestra un detalle de la ubicación de uno de los bulones rígidos de un soporte indicando la posición del nodo de referencia elegido. K 1 K 2 Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 33 Figura 4.14: Situación del bulón rígido y nodo de aplicación de cargas. La aplicación de los muelles de rigidez k2 se realiza en unos nodos de referencia del cartabón del Diapress, lo más centrado posible, como simplificación de las acciones que producen estos elementos. En cuanto al King-Pin, como va unido a la quinta rueda y esta a la cabeza tractora, tiene también una cierta variación de altura y suspensión (ya que la cabeza tractora lo tiene), por tanto se modela mediante un muelle de rigidez K, de valor 2000N/mm2. Para relacionar la quinta rueda con el King-pin del semirremolque se utiliza una réplica de la quinta rueda mediante elementos finitos y a la cual se le da una la condición de que tenga una rigidez en la vertical. Se consigue de esta manera que no se produzca la concentración de tensiones de la que se ha hablado antes y una aproximación más concreta (si cabe) a la realidad. El acoplamiento de la quinta rueda al semirremolque se puede observar en la figura 4.15. Figura 4.15: Dos vistas de la unión del King-pin con la quinta rueda Soporte Bulón rígido Nodo de referencia QUINTA RUEDA Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 34 Este trabajo de hacer un modelo en elementos finitos que simule cómo apoya el semirremolque en la quinta rueda y la caracterización de su rigidez fue desarrollado hace algún tiempo gracias al grupo de investigación de “vehivial”. Otra característica muy importante a destacar de este modelo de quinta rueda es que se le incorpora la capacidad de cabeceo de valor 15º en el eje transversal y 12º el longitudinal, que es como funciona en la realidad. Figura 4.16:Modelo de quinta rueda desarrollado por el grupo “vehivial” 4.4.2.- C ASOS DE CARGA Hay que tener en cuenta que la situación más desfavorable de este tipo de chasis no es en situación normal de circulación, algo que soporta perfectamente, es cuando realiza la operación de bascular, en al cual se transmite toda carga al cilindro (va entre los bulones de los escudos) y al sistema de giro trasero. Eje transversal Eje longitudinal Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 35 Figura 4.16: Barra rígida real y modelada con EE.FF. Figura 4.17:Detalle de la posición y foto del sistema de anclaje trasero. Por tanto, la única acción que se puede considerar es la acción de la masa del basculante cargado. La masa máxima que puede llevar este tipo de semirremolques es de 35 toneladas que se supone como uniformemente distribuida a lo largo de todo el basculante. Se puede observar que en la figura 4.11 se ha puesto el valor de la carga de 39 toneladas en vez de las 35 toneladas nombradas, esto se debe a que se multiplica el valor de la capacidad máxima del basculante por un coeficiente de 1,3 y así recoger en el cálculo estructural (que es el que se lleva a cabo en este proyecto) las posibles acciones dinámicas del comienzo de recorrido de los pistones, ya que en ese instante de BARRA RÍGIDA ESCUDOS CILINDRO CARTABON GIRO TRASERO GIRO TRASERO Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 36 comienzo de carrera se sabe que llevan una pequeña aceleración y que luego ya sí que trabajan a velocidad constante. MCALCULO = Mmáx. Basculante * Coeficiente de mayoración = 35 t * 1,3 = 39t En cuanto a la modelización por el M.E.F no se hace un basculante como tal, sino que se hace una lámina de la misma anchura y longitud y a esos elementos se les da la densidad y un espesor de manera que sea una carga distribuida que en su totalidad equivalga a las 39 toneladas. Después se une al giro trasero y a la barra rígida de los cilindros. La transición entre la plancha que simula el basculante y la barra rígida lo simula un elemento finito de tipo barra al cual se le dan propiedades de rigidez infinita, de manera que su única función es como se ha dicho de elemento de unión, para transmitir la parte de carga que le correspondería al cilindro. Se puede entender que se suponen totalmente rígidos ya que se trata de elementos comerciales del cual solo interesa que eleve el basculante y, en relación a este proyecto, que transmita reacciones entre el basculante y la barra de giro de los cilindros. Figura 4.18: Modelo de EE.FF. del chasis con la simplificación del basculante Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 37 En la figura 4.18 aparecen todos los elementos con los nombres reales en una posición cualquiera en la acción de bascular. No olvidar que se les ha colocado el nombre que reciben en la realidad pero todos ellos están modelaos en Patran (que se ha explicado anteriormente), pudiéndose incluso apreciar el elemento tipo barra que simula el cilindro. Como se explicó en el punto 4.1 sobre el método de los elementos finitos, todo esto ha sido realizado mediante el módulo de preproceso Patran cuyo resultado final ha sido la obtención de un fichero de texto (input) en el cual quedan definidas todas las variables y demás condiciones del cálculo. Este fichero será el que deberá ser calculado con el programa de cálculo mediante elementos finitos Abaqus una vez comprobado. En este caso el tipo de cálculo realizado va a ser de tipo estático. Como resultado final al proceso de cálculo van a obtenerse una serie de ficheros de texto. Quizás el más importante es el que tiene extensión *.res en el cual se recoge todo lo relativo al modelo de elementos finitos así como los resultado obtenidos para cada caso analizado. La interpretación de dicho fichero se realizará mediante el módulo de post proceso Abaqus viewer. 4.5.- EVOLUCIÓN DEL PROYECTO Y REPLANTEO DE UNOS COMPONENTES DEL CHASIS Llegados a este punto, se plantea un giro inesperado en el proyecto: se deben eliminar los escudos del modelo inicial que se va a meter a cálculo. Véase la figura 4.19 para entender que elementos desaparecen y cómo queda antes de entrar al cálculo. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 38 Figura 4.19: Ilustración de cómo queda el modelo inicial antes del cálculo Esta modificación no es aleatoria, la justificación se debe a que se está desarrollando en paralelo a este proyecto otros que tiene relación con chasis de Leciñena, en concreto uno de un chasis de semirremolque para basculantes pero fabricado en aluminio y que tiene una configuración muy similar al presente proyecto. En el citado se observa que los escudos no tiene un compromiso elevado de tensiones, es decir, se puede prescindir de ellos, por tanto se toma la decisión de no tenerlos en cuenta para este cálculo (evidentemente se hubiera llegar a la misma conclusión si se hubiera hecho con escudos: que se pueden quitar). En resumen, el modelo inicial de cálculo será el mismo que se ha presentado en los puntos anteriores salvo que se eliminan los escudos, por tanto todo el trabajo previo es válido con la diferencia de una pequeña modificación que como se ha insistido solo consiste en borrar unos elementos que no tienen una función estructural a tener en cuenta. 4.6.- RESULTADOS OBTENIDOS PARA EL CHASIS DE SEMIRREMOLQUE PARA BASCULANTES. En este punto van a mostrarse los resultados obtenidos para modelo incial del chasis de semirremolque para basculantes que Leciñena, incluyendo las últimas modificaciones citadas anteriormente, las debidas a los estudios que se llevan a cabo. Como ya se comentó, los resultados van a representarse mediante la utilización del módulo de post proceso Abaqus Viewer, mediante el cual se pueden obtener, entre Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 39 otros, deformadas de la estructura, valores y mapas de tensión (en este caso se utilizará la tensión equivalente de Von Mises) y mapas de deformación plástica (en los casos en que se produzca). Posteriormente, se realizará un análisis comparativo entre los resultados obtenidos para este modelo. A continuación van a presentarse en forma de tabla los resultados obtenidos ,en concreto, va a obtenerse la deformada de la estructura global, mapas de tensión equivalente de Von Mises del modelo global así como de cada uno de los componentes que lo forman. Según el sistema de unidades utilizado en las dimensiones del modelo así como el utilizado en la definición de las propiedades de los distintos materiales, los resultados se expresan en las siguientes unidades: la deformada de la estructura es expresada en milímetros, los valores de tensión en MPa. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 40 DESPLAZAMIENTOS Valor máximo 92,52mm Factor de magnificación 12,23 DESPLAZAMIENTOS Puente (King- Pin) Valor máximo: 76,23 mm Magnificación deformada: 12,23 Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 47 Banda de cierre delantera (King-Pin) Valor máximo: 16 MPa Ala superior e inferior de los largueros Valor máximo: 355 MPa Alma largueros Valor máximo: 356 MPa Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 48 Cartabones del giro trasero Valor máximo: 275 MPa Bulones escudos Valor máximo: 211 MPa Travesaños Valor máximo: 84 MPa Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 49 Travesaño (pies de apoyo) Valor máximo: 16 MPa Soportes pies de apoyo Valor máximo: 239 MPa Travesaños (soportes ruedas) Valor máximo: 8 MPa Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 50 Soportes ruedas Valor máximo: 120 MPa Cartabones de soportes ruedas Valor máximo: 60 MPa Cartabones de Diapress Valor máximo: 119 MPa Tabla 4.2: Resultados obtenidos para el modelo inicial Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 51 4.7.- CONCLUSIONES DE LOS RESULTADOS DEL CÁLCULO PRELIMINAR GRUPO Modelo inicial 0º, 39T Tensión máxima (MPa) Coeficiente de seguridad Peso (kg) Puente (king-pin) 121 2,93 72 Chapas de deslizamiento (King-pin) 305 1,16 99,8 Banda de cierre delantera (King-pin) 16 22,19 10,5 Ala superior e inferior de los largueros 355 1,00 460 Alma largueros 356 1,00 698 Cartabones del Giro trasero 275 1,29 12 Bulones escudos 211 1,68 10 Travesaños 84 3,27 65,2 Travesaños (Pies de Apoyo) 16 17,19 12,6 Soportes pies de apoyo 239 1,15 11,2 Travesaños (soporte Ruedas) 120 44,38 24,1 Soportes ruedas 8 2,96 52,3 Cartabones (soporte ruedas) 60 5,92 50,2 Cartabones (diapress) 119 2,31 14,5 Tabla 4.3: Resumen de resultados del modelo inicial De este cuadro que se acaba de presentar hay que interpretar y matizar algunos de los resultados obtenidos, los cuales se van a presentar por las agrupaciones que ya se pueden observar en el cuadro mediante los códigos de colores. Los largueros tienen un coeficiente de la unidad debido a unas concentraciones de tensión bien localizadas. En las alas inferiores y alas superiores de los largueros, existen en las primeras unas zonas rojas de concentración de tensiones que son las culpables de un coeficiente tan pobre. Estas se dan justo en la zona del Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 52 larguero que se produce un cambio de sección, como se puede observar en la figura 4.20. En relación a las almas también presentan idéntico caso: unas concentraciones de tensiones coincidentes con la unión de los bulones con estas (ver figura 4.20). Figura 4.20: Detalle de la localización y del valor de las concentraciones de tensiones en los largueros Las concentraciones que se producen en las uniones bulones-almas eran “previsibles” porque se han eliminado los escudos. Además hay que tener en cuenta que en esa zona se produce una gran deformación en el eje z, además de 6mm en el x y 1,5 mm en el y, por esto y porque la unión se produce en un espesor de 6mm, que es el que tienen las almas, se puede intuir una situación de inestabilidad o si se quiere incluso se podría clasificar de una unión insegura entre los bulones y las alamas de los largueros. En relación con el resto de elementos que componen la estructura se puede afirmar que su servicio es seguro (todos tienen un coeficiente de seguridad superior a la unidad) y se van a tener en especial consideración para realizar las optimizaciones. σ Von Mises = 355 MPa Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 53 5.- REDISEÑO Y OPTIMIZACIÓN DEL MODELO INICIAL Una vez calculado el modelo inicial y observado cómo se distribuyen sus tensiones y deformaciones, es momento de idear algún elemento o modificación en el semirremolque que modifique el mapa de tensiones, si es posible,a uno más deseable En relación con los resultados obtenidos las tensiones que interesan rebajar lo máximo posible son las que se producen en los largueros, en concreto en los primeros, por lo motivos expuestos con anterioridad. 5.1.- MODIFICACIÓN 1: CARTABONES DE REFUERZO EN LOS BULONES Los bulones que reciben a la barra de giro de los cilindros y con ella unas grandes fuerzas debidas a la reacción que le transmiten los cilindros y que provienen del peso del basculante. Estos bulones reciben el nombre a lo largo de la memoria de “bulones escudos” y se debe a que en el modelo inicial iban anclados en los escudos. En cuanto a los cartabones, son dos chapas de espesor de 8 mm que se cortan de forma que se pueda unir entre el bulón y el ala inferior de los largueros. Véase figura 5.1. La finalidad de esta optimización es que la tensión que ahora se concentra en el alama de los largueros se reparta con el ala inferior mediante estos refuerzos, además la unión alma-refuerzo se vuelve mucho más estable, porque lo bulones apoyan en tres puntos: alama y los cartabones (uno por la izquierda y otro por la derecha). Lo único extraño que pueda pasar es que estos cartabones “carguen” en exceso algún elemento del chasis o como la intuición indica lo hagan con el ala inferior y entonces no sean válidos, pero esto no se puede afirmar hasta el cálculo y obtener los resultados correspondientes Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 54 Figura 5.1: Detalle de los cartabones de refuerzo de los bulones En cuanto a los criterios de resistencia y rigidez se repiten de la misma manera que para el modelo inicial: tensiones en la zona elástica del material (coeficiente de seguridad igual o superior a la unidad) y la deformación que no tiene ninguna restricción por normativa, así que esta última servirá como ayuda para interpretar los resultados obtenidos. El material de estos refuerzos se ha elegido un acero St-52 (equivale a un S-355J0), se trata de un tipo de acero un poco más especial, de manera que facilite la soldabilidad y tenga unas características mecánicas mejoradas. Bulones CARTABONES DE REFUERZO Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 55 DESPLAZAMIENTOS Valor máximo 92,02mm. Factor de magnificación 12,23 DESPLAZAMIENTOS Puente (King-Pin) Valor máximo: 73,83mm Magnificación deformada: 12,23 Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 56 Chapas de deslizamiento (King-Pin) Valor máximo: 79,13 mm Magnificación deformada: 12,23 Banda de cierre delantera Valor máximo: 56,51mm Magnificación deformada: 12,23 Ala superior e inferior de los largueros Valor máximo: 92,02 mm Magnificación deformada: 12,23 Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 63 Ala superior e inferior de los largueros Valor máximo: 355 MPa Alma largueros Valor máximo: 316 MPa Cartabones del giro trasero Valor máximo: 276 MPa Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 64 Cartabones de refuerzo de los bulones escudo Valor máximo: 233 MPa Bulones escudos Valor máximo: 175 MPa Travesaños Valor máximo: 89 MPa Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 65 Travesaño (pies de apoyo) Valor máximo: 41 MPa Soportes pies de apoyo Valor máximo: 247 MPa Travesaños (soportes ruedas) Valor máximo: 7 MPa Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 66 Soporte ruedas Valor máximo: 121 MPa Cartabones (soporte ruedas) Valor máximo: 59 MPa Cartabones (Diapress) Valor máximo: 119 MPa Tabla 5.1: Resultados obtenidos añadiendo cartabones de refuerzo a los bulones escudos Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 67 A continuación se presenta un cuadro resumen de los resultados obtenidos para cada elemento que componen el chasis: GRUPO Modificación 1 0º, 39T Tensión máxima (MPa) Coeficiente de seguridad Peso (kg) Puente (king-pin) 121 2,93 72 Chapas de deslizamiento (King-pin) 305 1,16 99,8 Banda de cierre delantera (King-pin) 11 32,27 10,5 Ala superior e inferior de los largueros 355 1,00 460 Alma largueros 316 1,12 698 Cartabones del Giro trasero 276 1,29 12 Bulones escudos 175 2,03 10 Travesaños 89 3,09 65,2 Travesaños (Pies de Apoyo) 41 6,71 12,6 Soportes pies de apoyo 247 1,11 11,2 Travesaños (soporte Ruedas) 7 50,71 24,1 Soportes ruedas 121 2,93 52,3 Cartabones (soporte ruedas) 59 6,02 50,2 Cartabones (diapress) 119 2,31 14,5 Cartabones refuerzo bulones 233 1,52 11,5 Tabla 5.2: Cuadro resumen de la modificación 1 Se puede apreciar que la finalidad de la modificación ha tenido éxito: el coeficiente del alma de los largueros ha aumentado considerablemente, ya no se concentra la tensión de manera tan elevada, se consigue una estabilidad en la unión de los bulones con el resto de estructura. En la figura 5.2 se puede como la distribución de tensiones de Von Mises es mucho más suave, homogénea y de valor mucho menor. En Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 68 concreto se señala la zona de mayor tensión que hace que su coeficiente de seguridad se vea reducido. Figura 5.2: Distribución de tensiones en los largueros El resto de elementos superan la unidad salvo el caso de las alas, que sigue al límite y una vez más se debe a la concentración que se produce en el cambio de sección de los largueros. Figura 5.3: Detalle del cambio de sección de los largueros y las tensiones. σ Von Mises = 355 MPa Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 69 5.2.- MODIFICACIÓN 2: NERVIOS DE REFUERZO EN EL CAMBIO DE SECCIÓN Ahora se plantea intentar apaliar en lo posible la concentración de tensión que se produce en la ala inferior de las alas en el cambio de sección de los largueros, para ello hay varias soluciones que se pueden plantear de manera que se solucione el problema sin cambiar la geometría, es decir, sin cambiar la producción. La primera opción sería soldar una placa debajo del ala que tuviera su misma geometría y que simplemente abarcase las zonas de concentración de tensiones. Otra sería unos nervios soldados que unieran ala inferior, larguero y ala superior. Se realizará la segunda, el motivo fundamental es que este sistema ya se utiliza en el chasis, concretamente en la zona de ejes, por un lado de los largueros hay unos cartabones soldados a los soportes de las ruedas y a su vez al larguero; pero por el otro lado del larguero bajan unos nervios que realizan la función descrita al principio del párrafo. Si se observan resultados anteriores su funcionamiento parece correcto, ya que esas zonas no tienes sobrecarga de tensiones. Básicamente lo que hacen es transmitir la tensión al alma y lo que más interesa, al ala superior que es la más descargada del larguero. También hay que tener en cuenta que el proceso de unión nervio-larguero ya está coordinado y por tanto no hay que introducir en la empresa nuevos sistemas de producción. Figura 5.4: Chasis con los nervios con la modificación 2 aplicada. NERVIOS DE REFUERZO Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 70 DESPLAZAMIENTOS Valor máximo 91,75mm Factor de magnificación 12 Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 71 DESPLAZAMIENTOS Puente (King-Pin) Valor máximo: 73,85 mm Magnificación deformada: 12,23 Chapas de deslizamiento (King-Pin) Valor máximo: 79,11mm Magnificación deformada: 12,23 Banda de cierre Delantero (King-Pin) Valor máximo: 56,62 mm Magnificación deformada: 12,23 Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 72 Ala superior e inferior de los largueros Valor máximo: 91,75 mm Magnificación deformada: 12,23 Alma largueros Valor máximo: 91,69mm Magnificación deformada: 12,23 Cartabones del giro trasero Valor máximo: 42,32mm Magnificación deformada: 12,23 Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 79 Cartabones del giro trasero Valor máximo: 276 MPa Cartabones de refuerzo de los bulones escudo Valor máximo: 233 MPa Bulones escudos Valor máximo: 175 MPa Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 80 Travesaños Valor máximo: 90 MPa Travesaño (pies de apoyo) Valor máximo: 40 MPa Soportes pies de apoyo Valor máximo: 248 MPa Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 81 Travesaños (soportes ruedas) Valor máximo: 8 MPa Soporte ruedas Valor máximo: 121 MPa Cartabones (soporte ruedas) Valor máximo: 59 MPa Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 82 Cartabones (Diapress) Valor máximo: 119 MPa Nervios de refuerzo Valor máximo: 164 MPa Tabla 5.3: Resultados obtenidos añadiendo nervios de refuerzo. Se van a presentar un cuadro resumen de los resultados de tensiones equivalentes de Von Mises, para poder entender cómo ha afectado la modificación realizada. Ver tabla 5.4. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 83 Modificación 2 0º, 39T GRUPO Tensión máxima (MPa) Coeficiente de seguridad Peso (kg) Puente (king-pin) 121 2,93 72 Chapas de deslizamiento (King-pin) 305 1,16 99,8 Banda de cierre delantera (King-pin) 11 32,27 10,5 Ala superior e inferior de los largueros 285 1,25 460 Alma largueros 316 1,12 698 Cartabones del Giro trasero 276 1,29 12 Bulones escudos 175 2,03 10 Travesaños 90 3,06 65,2 Travesaños (Pies de Apoyo) 40 6,88 12,6 Soportes pies de apoyo 248 1,11 11,2 Travesaños (soporte Ruedas) 8 44,38 24,1 Soportes ruedas 121 2,93 52,3 Cartabones (soporte ruedas) 59 6,02 50,2 Cartabones (diapress) 119 2,31 14,5 Cartabones refuerzo bulones 233 1,52 11,5 Nervios de refuerzo 164 2,16 11 Tabla 5.4: Cuadro resumen para los resultados en la modificación2. En principio el objetivo que se buscaba se ha conseguido: disminuir la concentración de tensiones en la zona de cambio de sección del larguero, como se puede observar en la figura 5.5. A pesar de ello decir que todavía se genera un pico de tensión algo menor (aparece en tonos rojizos en la figura) en otro cambio de dirección del larguero (aparece ciertamente en alama y ala inferior) y de valor máximo de 285 MPa. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 84 Figura 5.5: Detalle de tensiones en el cambio de sección del larguero Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 85 6.- COMPARATIVA DE RESULTADOS ENTRE EL MODELO INICIAL Y SU REDISEÑO Y OPTIMIZACIÓN. CONCLUSIONES 6.1.-COMPARATIVA DE RESULTADOS Se presenta una tabla resumen con cada situación de carga para el semirremolque analizado como estructura inicial. Se recogen los datos que nos interesan, la tensión máxima de Von Mises para cada elemento, su peso y el coeficiente de seguridad; teniendo en cuenta los materiales expuestos en puntos anteriores. Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 86 Tabla 6.1: Resumen de resultados para cada grupo y caso de carga (*) Cs es el coeficiente de seguridad GRUPO Modelo inicial Modificación 1 Modificación 2 Tensión máxima (MPa) Cs Tensión máxima (MPa) Cs Tensión máxima (MPa) Cs Puente (king-pin) 121 2,93 121 2,93 121 2,93 Chapas de deslizamiento (King-pin) 305 1,16 305 1,16 305 1,16 Banda de cierre delantera (King-pin) 11 32,27 11 32,27 11 32,27 Ala superior e inferior de los largueros 355 1,00 355 1,00 285 1,25 Alma largueros 356 1,00 316 1,12 316 1,12 Cartabones del Giro trasero 275 1,29 276 1,29 276 1,29 Bulones escudos 211 1,68 175 2,03 175 2,03 Travesaños 84 3,27 89 3,09 90 3,06 Travesaños (Pies de Apoyo) 40 6,88 41 6,71 40 6,88 Soportes pies de apoyo 239 1,15 247 1,11 248 1,11 Travesaños (soporte Ruedas) 8 44,38 7 50,71 8 44,38 Soportes ruedas 120 2,96 121 2,93 121 2,93 Cartabones (soporte ruedas) 60 5,92 59 6,02 59 6,02 Cartabones (diapress) 119 2,31 119 2,31 119 2,31 Cartabones refuerzo bulones - - 233 1,52 233 1,52 Nervios de refuerzo - - - - 164 2,16 Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 87 6.2.- CONCLUSIONES Las modificaciones realizadas al modelo son perfectamente válidas, ya que se consigue pasar de un coeficiente de 1,00 en ala inferior y alma a 1,12 y 1,25 respectivamente y lo más importante, una distribución mucho más homogénea de las tensiones. En el caso del alma, concretamente en la zona de escudos, en la unión bulón-alma que era inestable y concentraba tensiones, pasa a ser una zona de estabilidad y una concentración de tensiones muy moderada para las solicitaciones que tiene, ya que hay que tener en cuenta que recibe todas las solicitaciones de la barra de cilindros. Para la “zona de escudos” que es la del alma en la que va el bulón, se eliminaron los escudos de la geometría previa que eran los que podían aportar una cierta estabilidad a los bulones y al final de la modificación 1 vuelven a quedar los bulones en situación correcta, es decir, se consigue una distribución de tensiones cuanto menos igual que con los escudos con la diferencia de un ahorro muy importante de peso: 142, 5 Kg respecto el modelo enviado por Leciñena (el que tenía escudos) También se puede hablar de los refuerzos de los nervios colocados en el cambio de sección, que lo que se consigue con ellos es repartir la tensión acumulada en ala inferior con alma y ala superior. En la siguiente ilustración se muestra la distribución de tensiones en la zona de cambio de sección de los largueros. Figura 6.1. Detalle del cambio de sección del larguero y sus tensiones Modificación 2 Cálculo y optimización mediante el M.E.F. de un chasis de semirremolque para basculantes 88 ZONA DE CAMBIO DE SECCIÓN “SUAVIZADA” En la imagen se puede apreciar claramente la variación de la distribución y del valor de las tensiones en el ala inferior pero también queda un pequeño concentrador de tensión en el cambio de sección. En relación con esto último van los futuros estudios de este semirremolque, en cómo suavizar este cambio de sección. De hecho se está acabando este proyecto y se está comenzando ya uno que tiene como finalidad suavizar este cambio y se está pensando en un prototipo que evita este “zigzag”, haciendo que el larguero cambie su tamaño de forma progresiva desde la zona de escudos hasta la posición que se ha comentado antes. A falta de cálculos, se intuye que se van a eliminar la concentración de tensión mencionada antes porque es bastante evidente que se debe a la geometría de ese tramo del larguero. Figura 6.2: Prototipo de larguero para semirremolque. Otro proyecto que podría nacer a raíz de este sería una optimización de materiales. Este se realiza una vez realizados todos los cambios necesarios en la geometría ya que es necesario que se repartan bien las tensiones. Consiste fundamentalmente en variar espesores y materiales de elementos, con objeto de reducir la tara del vehículo lo máximo posible. El fundamento de esa posible línea de investigación sería con los materiales que están disponibles para su fabricación variar los espesores de los elementos más tensionados y que son más influyentes en el peso del semirremolque. En este caso serían los largueros los elementos por los que se comenzaría. La manera de desarrollar este proyecto sería que una vez modelado el chasis mediante elementos finitos se van variando espesores para cada material en los “input”. Este proceso iterativo se repite con varios materiales. Aquí vendría la parte de los espesores comerciales que la empresa sigue (los fundamentales aparecen en la