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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

“ANÁLISIS MECÁNICO DE UN PROTOTIPO DE AUTOBÚS TIPO ENTRADA BAJA PARA TRANSPORTE PÚBLICO”

TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO MECÁNICO PRESENTAN:

MIGUEL ASAI ARRIETA JUAN ANTONIO OLVERA LARIOS

Asesores: M. en SHO. Vicente Mayagoitia Barragán Lic. Dora Elena Chacón Vázquez

México, D.F., Junio 2014

ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE TABLAS ÍNDICE DE ANEXOS INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO 1.1 AUTOBÚS DE ENTRADA BAJA 1.1.1 Características del Autobús de Entrada Baja 1.1.2 Marcas Líderes de Autobuses de Entrada Baja 1.2 IMPLEMENTACIÓN DEL AUTOBÚS DE ENTRADA BAJA 1.2.1 Autobuses de Entrada Baja a Nivel Mundial 1.2.2 Autobuses de Entrada Baja en México 1.3 CONCEPTOS QUE SE ANALIZAN EN EL PROCESO DE ENSAMBLADOD DE UN AUTOBÚS 1.3.1 Materiales Seleccionados por el Fabricante 1.3.2 Chasis 1.3.3 Carrocería 1.4 PROCESO DE LA LÍNEA DE ENSAMBLE 1.4.1 Preparación del Chasis: Estación 1 1.4.1.1 Proceso de la Preparación del Chasis 1.4.2 Armado de la Carrocería: Estación 2 1.4.2.1 Proceso de Armado de la Carrocería 1.4.2.2 Secuencia de Armado de la Carrocería 1.4.3 Montaje de Carrocería en Chasis: Estación 3 1.4.3.1 Proceso del Montaje de Carrocería en Chasis 1.4.4 Diagrama de Flujo 1.4.5 Diagrama de Operaciones CAPÍTULO 2 ANÁLISIS ESTÁTICO DE UNA ESTRUCTURA PARA UN AUTOBÚS TIPO ENTRADA BAJA 2.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1.1 Fuerzas Externas e Internas 2.1.2 Diagrama Esfuerzo-Deformación 2.1.3 Análisis Estructural Lineal – No Lineal 2.1.4 Análisis Estructural Estático – Dinámico 2.2 ANTECEDENTES 2.3 CONCEPTO 2.4 METODOLOGÍA 2.5 APLICACIONES 2.5.1 Ventajas 2.5.2 Desventajas 2.6 MODELADO 2.6.1 Modelado Matemático

1 4 7 8 9 13 14 18 19 20 21 23 25 28 29 31 32 35 38 39 40 42

44 47 47 50 57 59 60 65 67 74 75 76 76 79 i

2.6.2 Modelado Dinámico 2.6.3 Modelado de Ensambles 2.6.4 Modelado por Simuladores 2.7 SOFTWARE DE SIMULACIÓN 2.7.1 Requerimientos del Modelado 2.7.2 Software de Simulación 2.7.3 ANSYS Software de Simulación a utilizar en el Desarrollo del Proyecto CAPÍTULO 3 CONSIDERACIONES ESTÁTICAS, MECÁNICAS Y SELECCIÓN DE MATERIALES 3.1 CONCEPOS QUE SE ANALIZAN PARA EL PROCESO DE ENSAMBLADO DE UN AUTOBÚS 3.1.1 Preparación de Chasis 3.1.2 Distribución de Cargas 3.2 MATERIALES UTILIZADOS EN EL PROCESO DE ENSAMBLADO DEL AUTOBÚS 3.3 DISTRIBUCIÓN DE CARGAS DEL AUTOBÚS 3.4 SIMULACIÓN NUMÉRICA

80 81 81 82 83 83 91

94 97 97 100 101 104 108

CAPÍTULO 4 RESULTADOS 4.1 SIMULACIÓN NUMÉRICA 4.1.1 Carga Normal de Operación 4.1.1.1Desplazamientos 4.1.1.2 Fuerzas y Esfuerzos Axiales 4.1.1.3 Esfuerzos de Flexión 4.1.2 Análisis Estático a 2.5 veces la Carga Normal de Operación 4.1.2.1 Desplazamientos 4.1.2.2 Esfuerzos de flexión y Deformación

111 114 114 114 119 121 122 122 124

CONCLUSIÓN ANEXOS BIBLIOGRAFÍA

126 128 131

ii

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Figura 10 Figura 11 Figura 12 Figura 13 Figura 14 Figura 15 Figura 16 Figura 17 Figura 18 Figura 19 Figura 20 Figura 21 Figura 22 Figura 23 Figura 24 Figura 25 Figura 26 Figura 27 Figura 28 Figura 29 Figura 30 Figura 31 Figura 32 Figura 33 Figura 34 Figura 35 Figura 36 Figura 37 Figura 38

Figura 39 Figura 40

Autobús de Entrada Baja Autobús de Entrada Baja Mercedes Benz Modelo Gran Viale Autobús de Entrada Baja Volvo Modelo Volvo 7700 Ecológico Autobús de Entrada Baja Man Modelo Manbus Autobús de Entrada Baja Scania Modelo Serie K Autobús de Entrada Baja Dina Modelo Ridder Autobús de Entrada Baja Master Road Modelo Le Urbano Autobuses de Entrada Baja de Brasil y Canadá Autobuses de Entrada Baja de Chile y Panamá… Autobuses de Entrada Baja de Estados Unidos Autobuses de Entrada Baja de España y Francia Autobuses de Entrada Baja de Turquía y Polonia Autobuses de Entrada Baja de China e India Autobuses de Entrada Baja de Sudáfrica Autobuses de Entrada Baja de Australia Y Nueva Zelanda Autobús de Entrada Baja de Cancún Autobuses de Entrada Baja de la Ciudad de México Autobuses de Entrada Baja de Monterrey y Puebla Proceso de Ensamble del Autobús de Entrada Baja Diagrama de Bloques para las Actividades del Ensamble Distribución de la Estación 1 Separación por medio de Rieles Distribución de la Estación 2 Piso de Unidad Alargada Costados de Unidad de Entrada Baja Toldo de Unidad Alargada Diagrama de Flujo de Materiales para las Etapas del Ensamble Diagrama de Flujo para la Etapa 3 del Ensamble de la Carrocería Distribución de la Estación 3 Estructura de la Carrocería Ensamblada. (no incluye Frente y Posterior) Plantilla Universald de Brazos Neumáticos Fuerzas Externas y Fuerzas Internas Esfuerzo Normal Esfuerzo Cortante Esfuerzo-Deformación Diagrama Esfuerzo-Deformación Material Dúctil y Material Frágil Diagrama Esfuerzo-Deformación: A) Material Frágil B) Material Dúctil Gráfica de Comportamiento Estructural Lineal y No Lineal Estructura Discreta

8 10 10 11 11 12 13 14 14 15 15 16 16 17 17 18 18 19 26 27 28 30 32 33 34 35 36 37 38 39 40 49 51 52 54 55 56 57 58 65 iii

Figura 41 Figura 42 Figura 43 Figura 44 Figura 45 Figura 46 Figura 47 Figura 48 Figura 49 Figura 50 Figura 51 Figura 52 Figura 53 Figura 54 Figura 55 Figura 56 Figura 57 Figura 58 Figura 59 Figura 60 Figura 61 Figura 62 Figura 63 Figura 64 Figura 65 Figura 66 Figura 67 Figura 68 Figura 69 Figura 70 Figura 71 Figura 72 Figura 73 Figura 74 Figura 75 Figura 76 Figura 77

Estructura Continua Estructuras Discretas y Continuas Proceso de Análisis del Elemento Finito Elementos para Elasticidad Unidimensional Elementos para Elasticidad Bidimensional Elementos para Elasticidad Tridimensional Elementos Axisimétricos Discretización de Cuerpos Nodos y Líneas de Conducción Mallado de un Sólido Grados de Libertad Matriz de Rigidez Modelado de un Sólido Chasis Original Dimensiones Originales del Chasis Modificaciones Sugeridas para el Alargamiento del Chasis Dimensionamiento (mm) del Perfil Rectangular Dimensionamiento (mm) del Perfil Cuadrado Dimensionamiento (mm) del Perfil Tipo C Comportamiento Esfuerzo-Deformación de los Materiales Distribución de Cargas (111 Personas) Distribución de Cargas por Secciones Distribución General de Cargas y Diagrama de Cuerpo Libre Trazado por Medio de Líneas y Puntos Clave de la Estructura del Autobús Modelo en Tres Dimensiones de la Estructura del Autobús Mallado del Modelo del Autobús por Medio de Nodos y Elementos Finitos Cargas y Restricciones Aplicadas a La Estructura del Autobús Desplazamientos (Unidades en metros) Nodales en Dirección X Desplazamientos (Unidades en metros) Nodales en Dirección Y Desplazamientos (Unidades en metros) Nodales en Dirección Z Suma Vectorial de los Desplazamientos (m) Nodales Fuerzas Axiales (Unidades en N) Esfuerzos Axiales (Unidades en Pa) Esfuerzos De Flexión (Unidades en Pa) Suma Vectorial de los Desplazamientos Nodales a una Carga Excedida 2.5 Veces (Unidades en Metros) Esfuerzos de Flexión Generados a una Carga Útil Incrementada 2.5 Veces, Unidades en Pa Deformaciones Elásticas a una Carga Útil Incrementada 2.5 Veces

66 66 68 69 69 70 70 71 72 72 73 73 77 97 98 99 101 102 102 103 105 105 106 108 109 109 110 115 116 117 118 119 120 121 123 124 125

iv

ÍNDICE DE TABLAS Tabla I Tabla II Tabla III Tabla IV

Diagrama de Flujo Diagrama de Operación Acero de perfiles estructurales para el alargamiento del chasis Fuerzas de reacción en ejes

41 43 104 107

ÍNDICE DE ANEXOS Anexo 1 Anexo 2

Recomendaciones para Modificación de Chasis Catálogo de Perfiles del Proveedor de la Empresa

129 130

v

INTRODUCCIÓN

La ciudad de México es la capital del país y en ella se concentra

gran parte

de la actividad económica, política y social; todas estas actividades demandan un transporte público que traslade a las personas a sus ocupaciones de trabajo, estudio, entretenimiento, sociales o de comercio. Según estadísticas una persona en promedio pasará 11 años de su vida abordo de unidades de transporte público.

De acuerdo a datos proporcionados por el INEGI, la población de la Ciudad de México es de aproximadamente 8.9 millones de habitantes que, sumados a los 15.2 millones de personas de la zona metropolitana, transitan diariamente por la ciudad para satisfacer alguna necesidad.

Los modos de transporte en la Ciudad de México y la Zona Metropolitana son privados o públicos,

los cuales efectúan casi

22 millones de viajes diarios,

distribuidos de la siguiente manera:  En Transporte Privado se realizan 7 millones de viajes diarios, y se compone principalmente por automóviles y motocicletas  En Transporte Público se realizan 15 millones de viajes diarios, y está integrado por una gran variedad de opciones (gubernamentales y concesionadas), entre los que destacan: Metro (5 millones de viajes), Metrobús (200 mil de viajes), Trenes Suburbanos (2 millones de viajes), Autobuses (900 mil viajes), Microbuses (6.7 millones de viajes), otros (200 mil viajes)

Concluyendo lo anterior, del total de los viajes diarios realizados, el 32% se realiza con transporte privado (automóviles y motocicletas), y suponiendo que los

Introducción

dueños de dichos vehículos no utilicen otro tipo de transporte, al menos el 68% de los viajes diarios, se realiza en transporte público.

Es importante destacar que dentro del porcentaje de la población que utiliza transporte público se encuentran contempladas las personas con Movilidad Reducida (personas de la tercera edad, personas discapacitadas, personas en silla de ruedas, mujeres embarazadas o con niños pequeños) que necesitan un sistema de transporte público seguro y eficiente.

Una de las alternativas de transporte que cuentan con las características apropiadas para satisfacer las necesidades de traslado a este grupo de la población son los Autobuses de Entrada Baja o Piso Bajo.

Actualmente la tecnología de Chasis de Entrada Baja es desarrollada por las marcas de los líderes mundiales como Mercedes, Volvo, MAN, Scania, así como también por algunos fabricantes chinos, con muy poco impacto.

Una empresa mexicana dedicada al carrozado de autobuses, sólida, con alto sentido de responsabilidad y solidaridad social, con altos estándares de seguridad para los usuarios y comprometida con el medio ambiente, ha decidido incorporar la más avanzada tecnología para desarrollar un Prototipo de Autobús de Entrada Baja e implementarlo en el mercado mexicano, con el objetivo de que cumpla con altas prestaciones

de

manejo

y

rendimiento,

confort,

eficiente,

ecológico

y

económicamente accesible.

Para alcanzar dicho objetivo, importaron un Chasis de Entrada Baja el cual debe ser alargado para cumplir con las dimensiones mínimas requeridas en los autobuses, por lo que para llevar a cabo el análisis de alargamiento, se utilizó un

2

Introducción

software de simulación numérica por el Método del Elemento Finito para comprobar que el diseño es seguro para fabricarse.

En primera instancia se realiza una investigación para establecer los antecedentes que sustentan el desarrollo de tecnología de un Autobús de Entrada Baja o Piso Bajo por una empresa mexicana así como el proceso de la línea de ensamble de un autobús de Entrada Baja. A continuación se lleva a cabo el análisis estático de una estructura de Autobús de Entrada Baja a través de los fundamentos teóricos del Método del Elemento Finito; posteriormente se señalarán las consideraciones estáticas y mecánicas requeridas en el proceso de ensamblado de un autobús, así como los materiales utilizados, la distribución de cargas y la metodología del programa de simulación numérica. Inmediatamente se presentarán los resultados obtenidos a través de la metodología de simulación ANSYS para que finalmente se proporcionen las conclusiones de la investigación.

3

CAPÍTULO

MARCO TEÓRICO

1

Capítulo 1 Marco Teórico

1.1 AUTOBÚS DE ENTRADA BAJA 1.1.1 Características del Autobús de Entrada Baja 1.1.2 Marcas Líderes de Autobuses de Entrada Baja 1.2 IMPLEMENTACIÓN DEL AUTOBÚS DE ENTRADA BAJA 1.2.1 Autobuses de Entrada Baja a Nivel Mundial 1.2.2 Autobuses de Entrada Baja en México 1.3 CONCEPTOS QUE SE ANALIZAN PARA EL PROCESO DE ENSAMBLADO DE UN AUTOBÚS 1.3.1 Materiales Seleccionados por el Fabricante. 1.3.2 Chasis 1.3.3 Carrocería. 1. 4 P RO C E SO D E L A LÍN E A D E E NS AM B LE 1.4.1 Preparación del Chasis: Estación 1 1.4.2 Armado de la Carrocería: Estación 2 1.4.3 Montaje de Carrocería en Chasis: Estación 3 1.4.4 Diagrama de Flujo 1.4.5 Diagrama de Operaciones

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Capítulo 1 Marco Teórico

En los últimos años ciudades como en México, Monterrey,

Guadalajara,

entre

otras,

han

estado

creciendo aceleradamente, y con ello la demanda del Transporte

Público.

Este

crecimiento

urbano

va

acompañado, en la mayoría de los casos, con un crecimiento desordenado del transporte: vehículos de todos tamaños, de baja tecnología, de una edad promedio muy elevada y contaminante; situación que requiere que los nuevos sistemas de transporte deben estar diseñados para satisfacer todas las características especiales de cada ciudad. Por ello, surge la necesidad de una reformulación de los Sistemas de Transporte Público Masivo.

El proyecto de Modernización del Transporte Público en la Ciudad de México, tiene como finalidad el desarrollo de un autobús de nueva generación, amigable con el medio ambiente y que proporcione mejores opciones al transporte, posibilitando que el acceso de los pasajeros y de las personas con movilidad reducida, se realice en forma segura y cómoda.

Una alternativa de solución es un Autobús de Entrada Baja o de Piso Bajo, el cual es un vehículo que está pensado para todos: no hace distinción entre las personas por su diferente grado de movilidad.

6

Capítulo 1 Marco Teórico

1.1 AUTOBÚS DE ENTRADA BAJA

Las

grandes ciudades que están creciendo rápidamente tienen graves

dificultades de tráfico, originado por la gran cantidad de Transporte Público y Privado que circula diariamente para el traslado de personas. Dicha situación ha causado un problema de contaminación al medio ambiente de grandes dimensiones. Un ejemplo es la ciudad de México y la Zona Metropolitana, en donde el 76% de la contaminación proviene del transporte, contribuyendo con el 18% de emisiones de los gases efecto invernadero.

Conjuntamente para satisfacer la creciente demanda de traslado existente, es necesario utilizar los diferentes modos de transporte disponibles, los cuales presentan un atraso de movilidad, que repercute en la salud, la calidad de vida y en la productividad del país; situación que requiere la implementación de acciones para modernizar el Transporte Público actual.

Una medida de solución es contar con un sistema optimizado para que el transporte público sea más eficiente, menos contaminante, más seguro y cómodo, que permita lograr el objetivo de incrementar la accesibilidad de las personas al transporte y la posibilidad de una integración real de las personas con movilidad reducida (física, psíquica o sensorial), para el uso y disfrute de un Transporte Público que sea sustentable y de calidad.

El Autobús de Entrada Baja

(Figura 1)

es una alternativa de solución a esta

problemática.

7

Capítulo 1 Marco Teórico

Figura 1 Autobús de Entrada Baja

Los Autobuses de Entrada Baja también son conocidos como de Cama Baja, Piso Bajo o Low Entry; como su nombre lo indica, permiten una entrada y salida al pie de la acera, el llamado one level boarding. Una vez dentro, el piso plano sin escalones permite una distribución rápida de las personas. De esta manera, las paradas se reducen, lo que favorece la disminución del tráfico que trae como consecuencia la contaminación ambiental.

1.1.1 Características del Autobús de Entrada Baja

Las características de un Autobús de Entrada Baja varían de acuerdo al diseño de la vialidad por donde vaya a circular; entre las principales se pueden mencionar las siguientes:  Proporcionan al pasajero facilidad para abordar o descender, sin obstáculos y de forma controlada, al bajar la suspensión del vehículo a 380 mm de altura, eliminando la necesidad de escalones  Suelen incluir un área libre asientos con capacidad para una silla de ruedas que deberá posicionarse en el sentido de la marcha normal del vehículo; dicha área deberá estar cerca de una puerta  Pueden ser complementados con un sistema hidráulico o neumático que, al detenerse el autobús, hace que se incline a un costado para disminuir la

8

Capítulo 1 Marco Teórico

distancia entre la acera y el piso del autobús, con lo cual las sillas de ruedas pueden abordar o descender con mayor facilidad  Rampa que pueda desplegarse y cubrir la separación entre el autobús y la acera; los usuarios en sillas de ruedas, así como otros de movilidad reducida, podrán subir fácilmente a los autobuses de forma autónoma  Sistema de inclinación (arrodillamiento) para facilitar el acceso a las personas con movilidad reducida, este mecanismo permite llevar el autobús a unos 250 mm sobre el nivel del suelo  El piso del vehículo debe ser antiderrapante  Algunos autobuses son de Entrada Baja en sólo una parte del vehículo, y la parte trasera elevada para acomodar el tren motriz  La mayoría de los fabricantes de autobuses logran una altura baja de piso al hacer unidades de tracción trasera con el eje delantero independiente, de manera que no es necesario un eje que pase por debajo del piso del compartimiento de pasajeros  Para que el autobús pueda circular se requiere de vías sin pendientes muy pronunciadas

1.1.2 Marcas Líderes de Autobuses de Entrada Baja

En México la mayoría del Transporte Público de Pasajeros usa vehículos de chasis-carrocería en lugar de integrales, lo que obviamente limita las posibilidades de diseño; es decir, el carrocero debe diseñar de acuerdo a los chasises disponibles y en muchas ocasiones las empresas impiden o prohíben que se hagan modificaciones a sus productos, invalidando la garantía del chasis, por lo que el diseño queda limitado. Por otra parte los autobuses traídos del extranjero se vuelven caros y no pueden competir en el mercado mexicano.

9

Capítulo 1 Marco Teórico

Entre las principales marcas líderes a nivel mundial que desarrollan la tecnología para el Autobús de Entrada Baja se encuentran:

A) Autobuses Mercedes-Benz

(Figura 2):

Las tecnologías y vehículos están

desarrollados y diseñados para las infraestructuras urbanas.

Figura 2 Autobús de Entrada Baja Mercedes Benz Modelo Gran Viale

Debido a que los autobuses son actualmente el medio de transporte ideal, en cuanto a la seguridad de los pasajeros, la empresa está fijando estándares en esta materia. Planea cubrir las necesidades de los habitantes de México, a través del desarrollo de productos que busquen resolver los problemas de movilidad sin afectar el medio ambiente.

B) Volvo Autobuses

(Figura 3):

Ha hecho un cambio fuerte y sustantivo del

Transporte Público en México, ubicándose con una posición de liderazgo en el segmento.

Figura 3 Autobús de Entrada Baja Volvo Modelo VOLVO 7700 ECOLÓGICO

10

Capítulo 1 Marco Teórico

Además de la calidad del servicio, la accesibilidad de los autobuses facilitará la movilidad de personas de la tercera edad y con discapacidad, lo que demuestra la calidad, desempeño y rendimiento que brinda esta marca.

C) Autobuses MAN

(Figura 4):

La empresa está interesada en el proyecto de

Modernización del Transporte Público de la Ciudad de México

Figura 4 Autobús de Entrada Baja MAN Modelo MANBUS

Los valores corporativos de la empresa: confiabilidad, innovación, dinamismo y apertura, permitirán dar soluciones de transporte a la medida y con la mejor relación costo-beneficio.

D) Autobuses Scania

(Figura 5):

Se ha logrado consolidar como la marca líder

en Autobuses foráneos y largas distancias, sin duda una marca comprometida con sus clientes y el medio ambiente.

Figura 5 Autobús de Entrada Baja SCANIA Modelo SERIE K

11

Capítulo 1 Marco Teórico

La industria de diseño de automotores en México se ha visto limitada, porque durante mucho tiempo todas las empresas traían sus diseños de filiales en el extranjero, teniendo como consecuencia la falta de desarrollo de tecnología y personal capacitado para diseñar en el país.

Entre las empresas mexicanas que están en sus inicios del desarrollo tecnología de Autobús de Entrada Baja, se pueden mencionar:

A) DINA Camiones

(Figura 6):

Fue fundada como Diesel Nacional S.A. en

1951; a partir del 2001, decide prepararse para enfrentar los retos de la globalización y continuar siendo competitiva como una empresa de Transporte de Clase Mundial.

Figura 6 Autobús de Entrada Baja DINA Modelo RIDDER

Empresa 100% mexicana que brinda soluciones de transporte fabricando vehículos con tecnología de vanguardia. Ha logrado desarrollar una innovadora tecnología bajo una visión sustentable con el objetivo de brindar calidad de vida a las futuras generaciones.

12

Capítulo 1 Marco Teórico

B) Master Road

(Figura 7):

Empresa 100% mexicana se fundó en el año 2003;,

con el objetivo de ofrecer, mediante la mejor tecnología y la constante innovación, la fabricación de chasises y plataformas de autobuses integrales, con la seguridad que estos son la mejor alternativa para el transporte a nivel nacional e internacional.

Figura 7 Autobús de Entrada Baja MASTER ROAD Modelo LE URBANO

Comprometida con la sustentabilidad y la eficiencia, ofrece el desarrollo total de plataformas y chasises seguros, rentables, económicos y que pueden adaptarse de manera cabal a las mejoras tecnológicas del futuro.

1.2 IMPLEMENTACIÓN DEL AUTOBÚS DE ENTRADA BAJA

Las compañías de Transporte Público a nivel mundial, están adoptando cada vez más la tecnología de Entrada Baja, considerando las ventajas de uso de este tipo de autobuses.

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Capítulo 1 Marco Teórico

1.2.1 Autobuses de Entrada Baja a Nivel Mundial

A.- América: Los países que cuentan con Autobuses de Entrada Baja en el Continente Americano

(Figuras 8, 9, 10)

son: Argentina, Bolivia, Brasil, Canadá, Chile,

Colombia, Costa Rica, Chile, Ecuador, El Salvador. Guatemala, Honduras, Panamá, Paraguay, Perú, Puerto Rico, Uruguay y Venezuela.

Figura 8 Autobuses de Entrada Baja de Brasil y Canadá

Figura 9 Autobuses de Entrada Baja de Chile y Panamá

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Capítulo 1 Marco Teórico

Figura 10 Autobuses de Entrada Baja de Estados Unidos

B.- Europa: Los países que cuentan con Autobuses de Entrada Baja en el Continente Europeo

(Figuras 11,12)

son: Alemania, España, Finlandia, Francia, Países

Bajos, Polonia, Reino Unido, Turquía, Grecia

Figura 11 Autobuses de Entrada Baja de España y Francia

15

Capítulo 1 Marco Teórico

Figura 12 Autobuses de Entrada Baja de Polonia y Turquía

C.- Asia: Los países que cuentan con Autobuses de Entrada Baja en el Continente Asiático (Figura 13) son: China, India, Indonesia

Figura 13 Autobuses de Entrada Baja de China e India

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Capítulo 1 Marco Teórico

D.- África: Los países que cuentan con Autobuses de Entrada Baja en el Continente Africano (Figura 14) son: Nigeria, Sudáfrica

Figura 14 Autobuses de Entrada Baja de Sudáfrica

E.- Oceanía: Los países que cuentan con Autobuses de Entrada Baja en Oceanía (Figura 15)

son: Australia, Nueva Zelanda

Figura 15 Autobuses de Entrada Baja de Australia y Nueva Zelanda

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Capítulo 1 Marco Teórico

1.2.2 Autobuses de Entrada Baja en México

Los estados en donde circular Autobuses de Entrada Baja, o están en proceso de introducción

(Figuras 16, 17,18)

son: Acapulco, Cancún, Chihuahua, Ciudad Juárez,

Ciudad de México, Comarca Laguneta, Esado de México, Guadalajara, León, Mexicalli, Monterrey, Oaxaca, Pachuca, Puebla, Tampico, Tijuana, Tuxtla Gutiérrez, Veracruz, Villahermosa, Xalapa.

Figura 16 Autobús de Entrada Baja de Cancún

Figura 17 Autobuses de Entrada Baja de la Ciudad de México

18

Capítulo 1 Marco Teórico

Figura 18 Autobuses de Entrada Baja de Monterrey y Puebla

1.3 CONCEPTOS QUE SE ANALIZAN EN EL PROCESO DE ENSAMBLADO DE UN AUTOBÚS El diseño de autobuses de pasajeros ha evolucionado en los últimos años, no sólo porque se han estructurado unidades con chasis funcional y carrocerías aerodinámicas, sino también debido a que se han incorporado materiales y métodos de ensamble que aligeran el peso de la unidad, le confieren mayor absorción de esfuerzos y una mejor apariencia.

Un autobús es un vehículo especialmente diseñado para el traslado de personas, y su proceso de producción es diferente a otro tipo de vehículo. Este tipo de vehículo está integrado por:  Chasis: Elemento estructural, encargado de soportar los esfuerzos estáticos y dinámicos que tiene el vehículo  Carrocería: Armazón del vehículo, formado por planchas metálicas unidas entre sí, cuyo interior se destina para el habitáculo de los pasajeros

19

Capítulo 1 Marco Teórico

1.3.1 Materiales seleccionados por el fabricante

La fabricación de un autobús comienza por la construcción de una superestructura constituida por perfiles tubulares de acero de alto límite elástico de sección hueca, cuadrada o rectangular (PTR, PTC), galvanizado o negro, de calibres 14 y 12, que se convertirá en el esqueleto del vehículo, estos perfiles ofrecen una considerable resistencia mecánica y un peso por unidad de dimensión reducido debido a que la sección es hueca. Por otra parte, debido a su geometría regular, este tipo de perfiles son muy fáciles de utilizar.

Cortados todos los perfiles a la medida de ensamblaje, se unirán de forma modular e independiente: laterales, frontal, trasero y techo, para, posteriormente, proceder a la unión de todos los módulos. Las uniones y ensamblajes se realizan mediante soldadura, creando una estructura autoportante a la que se fijan los conjuntos mecánicos; por último, se colocan los paneles y reviste, tanto exterior como interiormente.

El revestimiento y la colocación de paneles se realizan con materiales como acero, aluminio, resina de poliéster reforzada con fibra de vidrio, tableros de prodema (madera estratificada), moqueta, lunas, etc.

Los materiales del lateral exterior son, en la mayor parte de los vehículos, acero y aluminio, como en el lateral bajo las ventanas, donde a la estructura se le colocarán paneles con planchas de acero, en muchas ocasiones superiores a los 10 metros de longitud. Por debajo de esta zona se encuentran las trampillas y portones de pase de rueda, acceso a conjuntos mecánicos, etc. En su mayoría, el material utilizado para construir estos elementos es el aluminio, formando un conjunto con un bastidor unido a la estructura.

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Capítulo 1 Marco Teórico

En el frente, la parte trasera y el techo se combinan diversos materiales, predominando la resina de poliéster reforzada con fibra de vidrio, haciéndose notar también la presencia de otros como el aluminio.

En el interior del vehículo están presentes diversos elementos plásticos: consolas portaobjetos y las canalizaciones de aire y luz. El piso es de madera estratificada y sobre él, se disponen las líneas de asientos. La unión de todos los elementos que visten y cierran la estructura se realiza por distintos sistemas: atornillados, remachados, soldados o con adhesivo; este sistema de unión está presente en todo el proceso de fabricación del autobús. A excepción de la construcción de la estructura y de la fijación de los asientos, el adhesivo estructural interviene en la unión de todos los elementos, garantizando la resistencia de dicha unión y asumiendo las dilataciones producidas por torsiones y cambios de temperatura.

1.3.2 Chasis

El chasis está constituido por la estructura o bastidor, el motor, la caja de cambios, la transmisión, la dirección, el sistema de frenos, el tanque de combustible, el panel de control, el timón, pedales y hasta el asiento del conductor, en fin todos los elementos mecánicos, eléctricos y funcionales para que un vehículo pueda funcionar.

Las características del chasis son:  Es el soporte de todos los elementos mecánicos  Puede rodar sin carrocería  Un mismo tipo de chasis puede adaptarse a varios tipos de carrocería  Un mismo tipo de chasis puede alargarse o cortarse según las necesidades  Es totalmente duro y rígido

21

Capítulo 1 Marco Teórico

Debido a que el chasis es un elemento complejo, se requiere un estudio especial desde el punto de vista de diseño, por lo que es necesario el empleo de técnicas de análisis numérico y medición experimental, que permiten elevar la rigidez de la parte trasera del bastidor.

Sobre el chasis se apoyan directa o indirectamente todos los conjuntos y elementos de trabajo que conforman el vehículo. El chasis debe resistir y tener la rigidez suficiente para soportar las cargas máximas que aparecen durante la operación del vehículo; para determinar estas cargas, se realizan las pruebas en regímenes extremos de funcionamiento, que a lo largo de la vida útil del vehículo provocan grandes esfuerzos debidos a la acción de las fuerzas de inercia de las diversas masas. Estos regímenes extremos que aparecen, fundamentalmente en los desplazamientos de la máquina, se tienen en cuenta en los cálculos de resistencia, no considerándose los mismos para los cálculos de fiabilidad o durabilidad.

Un chasis se podría definir como una estructura cuyo propósito es el de conectar rígidamente la suspensión delantera y la trasera y al mismo tiempo ofrecer puntos de amarre para los diferentes sistemas del vehículo, así como el de proteger al conductor frente a la colisión. Los diseños rara vez se someten a tensiones del esfuerzo último; lo determinante es la rigidez (no deformación). El chasis debe ser rígido para deformarse poco y así no alterar las características de la conducción.

La construcción de un chasis es el compromiso entre la rigidez, el peso y el espacio; todo ello teniendo en cuenta el costo final. Deben considerarse la resistencia estática y la fatiga, la estabilidad de las partes estructurales, la capacidad de carga de las uniones, la fabricación y el montaje.

22

Capítulo 1 Marco Teórico

1.3.3 Carrocería

Los vehículos de pasajeros disponen de unas carrocerías que se apartan, en gran medida, del concepto empleado en camiones.

La carrocería es lo que define el diseño, apariencia y la forma del modelo que va a tener el autobús de un autobús; lo constituye el habitáculo, desde la plataforma, estructura, paneles, ventanas, puertas, asientos y toda la ambientación necesaria.

Este procedimiento se da mediante el carrozado, que es la serie de pasos que se siguen para construir, crear y montar la carrocería autoportante que constituirá una unidad con los paneles de recubrimiento y los elementos mecánicos del vehículo; para ello, se requiere de un chasis de determinadas características sobre el cual se construye.

El proceso de carrozado está integrado por:  Estructura: Se crea la armazón del autobús, fabricada con perfiles de acero unidos mediante soldadura en matrices independientes, que van a dar forma a los diferentes módulos del vehículo, como el piso, los laterales, el frente, la parte trasera y el techo. La estructura debe tener propiedades de resistencia y durabilidad que garanticen la ausencia total de deformaciones o daños permanentes ocasionados por su uso. El laminado de la estructura consiste en forrar la estructura exterior (frente, concha trasera, laterales, etc.) e interior (porta rutas, tablero, etc.).  La estructura del toldo está formada por perfiles PTC en los extremos de manera longitudinal, los cuales se unen por armazones en forma de sombrero constituyendo así los claros de las fallebas.

23

Capítulo 1 Marco Teórico

 La estructura de los costados comprende los claros de ventanillas, puertas, además cuenta con perfiles diagonales en la parte inferior de los claros de ventanillas y perfiles rectangulares en los postes, que forman los claros de puertas, cuya función es proporcionar la resistencia necesaria y lograr una adecuada transmisión de esfuerzos.

La estructura del toldo, costados, piso, frente y trasero del autobús se arman por módulos independientes que serán unidos por el mismo método de soldadura, apoyándose siempre de escantillones que aseguren una mejor cuadratura. Una vez fabricada la estructura se unen los paneles laterales de recubrimiento, que pueden combinar dos sistemas de unión:  Unión Rígida: Soldadura en determinadas zonas  Unión Flexible: Pegado con adhesivos elásticos estructurales, que hacen posible que las dilataciones producidas en los paneles de la carrocería no produzca grietas ni roturas. Estos adhesivos permiten unir elementos de diferente naturaleza, como el acero (paneles laterales), aluminio (puertas y trampillas), poliéster con fibra (frente y trasera) y madera (piso).

Algunos carroceros emplean la técnica del tensado de la chapa con calor para evitar la aparición de deformaciones en los laterales, ya que estos vehículos son carrozados con piezas de chapa superiores a 10 m. Para ello, y una vez unido un extremo del panel de chapa a la estructura del vehículo, mediante puntos de soldadura, se estira desde el extremo opuesto, mediante un tensor. A la vez, se ejerce presión sobre las zonas de pegado y se calienta levemente la chapa, a 70 u 80ºC, para facilitar su tensado. Tras enfriarse, se fija por su extremo mediante puntos de soldadura

24

Capítulo 1 Marco Teórico

 Montaje: Se coloca la carrocería sobre el chasis  Acabados: Etapa de terminado de la unidades, previo al montaje de accesorios se realiza la preparación de la unidad para la aplicación de imprimaciones (proceso por el cual se prepara una superficie para un posterior pintado), aparejada y darle el acabado final según los cortes de pintura anticorrosivas por aspersión como primarios alquidálicos, epóxicos o de cromatos de zinc. Un aspecto que hay que prever al carrozar el vehículo será el acabado interior, ya que, además de habilitar los alojamientos de las instalaciones eléctricas, electrónicas, hidráulicas y neumáticas, habrá que considerar que es la última etapa de armado del autobús, es donde se tiene que considerar el tapizado,

instrumentación, molduras, parabrisas,

ventanillas, cristales de puertas, sistemas de aire acondicionado, luces exteriores, luces interiores, piso, asientos, pasamanería, sistemas de vídeo y monitores, etc.

1.4 PROCESO DE LA LÍNEA DE ENSAMBLE

Una vez analizados todos y cada uno de los pasos que son necesarios para establecer un proceso productivo, se determina que la secuencia del proceso de la línea de ensamble para la producción del autobús de entrada baja recomendada para la empresa, es similar a los procesos de la línea de ensamble actual, con el fin de que los operarios se familiaricen con rapidez en la fabricación del nuevo producto.

25

Capítulo 1 Marco Teórico

Figura 19 Proceso de ensamble del autobús de entrada baja

El proceso de ensamblado se presenta gráficamente

(Figura 19),

iniciando de

manera conjunta con el abastecimiento de perfiles tubulares cuadrados, láminas y

26

Capítulo 1 Marco Teórico

placas metálicas para la fabricación de la carrocería y con el suministro del chasis en donde se montará la carrocería. Los primeros se transportarán al área de corte y doblez para cambiar su longitud y forma, para que sean enviados al área de carrozado. Al mismo tiempo, el chasis será enviado al proceso de preparación donde se realizarán los cambios en su longitud en la sección de la distancia entre ejes (parte central) agregándole la estructura de alargamiento prefabricada.

A continuación, en el proceso de montaje, la carrocería se ensamblará con el chasis; ya carrozada la unidad se continuara con los procesos de laminación, pintura, línea final, prueba de agua, inspección PDI, para que finalmente la unidad terminada se ubique en el almacén de producto terminado.

Las operaciones de preparación del chasis, fabricación de la carrocería y montaje de la carrocería en el chasis forman parte del diagrama general de proceso (Figura 20).

Figura 20 Diagrama de bloques para las actividades del ensamble

27

Capítulo 1 Marco Teórico

Estas actividades son proyectadas de acuerdo al análisis de las operaciones actuales de la línea de producción y son las necesarias para tener la unidad carrozada y lista para avanzar al área de laminación; independientemente de la ubicación de la línea de producción.

Derivado de la descripción de las actividades, se han establecido las estaciones de cada una de las actividades de trabajo:  Preparación del chasis  Armado de la carrocería  Montaje de carrocería en chasis

1.4.1 Preparación del Chasis: Estación 1

Se lleva a cabo la recepción del chasis y las operaciones necesarias para su alargamiento, se recomienda que el chasis se monte en dispositivos móviles para facilitar su manipulación cuando se realice el nivelado; se realizaran las adecuaciones necesarias para cortarlo, alargarlo y soldarlo, colocarle la estructura de piso, dejando el chasis listo para que avance a la estación de montaje (Figura 21).

Figura 21 Distribución de la estación 1

28

Capítulo 1 Marco Teórico

1.4.1.1 Proceso de la Preparación del Chasis

Las actividades necesarias para llevar a cabo en proceso en la Estación 1, son detalladas a continuación:  Recepción de chasis: Se recibirá el chasis del área de almacén, impulsado por sí mismo a una velocidad de 5 km/hr, de acuerdo a las directivas de montaje provistas por el fabricante, cabe señalar que contara con la barra de traslado  Desconexión de los sistemas del chasis (Deshuase): Procedimiento que consiste en la desconexión de los sistemas hidráulicos, neumáticos y eléctricos del chasis; se tiene proyectado que en una primera etapa la desconexión la realice el fabricante, por lo cual la empresa carrocera tendrá que capacitar personal para poder realizar en un futuro el proceso  Montar el chasis en bancadas para alineación: Se coloca el chasis en las bancadas, o estructuras de elevación, para dejar fija la parte trasera, con la finalidad de que el chasis no se mueva durante el proceso de alargamiento  Quitar la barra de traslado: Es necesario que se realice una vez montado y asegurado el chasis para una correcta alineación y nivelación, puesto que el chasis se libera de las posibles torsiones provocadas por la colocación de la barra de traslado  Alineación: Se realizará en base al procedimiento descrito en las Normas de Carrozado para chasis de autobús tipo A69 del fabricante, que describe los puntos de elevación, sujeción, medición y toma de referencias; para la correcta alineación, se requiere de un área nivelada para partir de un punto de referencia; el procedimiento lo hará en una primera etapa el fabricante, y posteriormente previo a una capacitación lo podrá realizar la empresa carrocera.  Corte: Se llevará a cabo mediante un proceso de corte mecánico, debido a que esta operación no compromete la estructura físico-química del material.

29

Capítulo 1 Marco Teórico

El procedimiento consiste en un corte de metal tubular rectangular de dimensiones 100 x 40 x 4 mm de espesor.  Separación: Consiste en desarticular la parte de eje delantero del chasis de la parte del eje trasero; este proceso

(Figura 22)

depende de la precisión con

que se instalen los rieles guía para asegurar la alineación y nivelación

Figura 22 Separación por medio de rieles

 Montar estructura de alargamiento: La estructura de alargamiento se hará en un subensamble por separado, con la condición de que tiene que estar alineado y sin deformaciones; también se puede considerar que la estructura sea montada en un dolly o riel, para su fácil manejo y ajuste, así como para reducir tiempos de operación en la nivelación con el chasis  Alinear estructura-chasis: Para favorecer el tiempo de operación, antes de soldar la estructura de alargamiento, se tiene que posicionar para una alineación con respecto al chasis,

con la finalidad de dar seguridad al

operario, para que cuando este soldando únicamente se ocupe de la soldadura y no de la nivelación  Soldadura: De acuerdo a las directivas de montaje del fabricante de chasis: “Como material de soldadura se recomiendan electrodos con recubrimiento básico de electrodos o alambre para soldadura en atmósfera protectora según DIN EN 440. Se tienen que utilizar electrodos de la clase B10, DIN

30

Capítulo 1 Marco Teórico

EN 499. La soldadura tiene que ejecutarse fundamentalmente con corriente continua. Tener en cuenta la polaridad de los electrodos.”  Verificar alineación: Este procedimiento lo realiza la empresa fabricante, utilizando equipo laser para alineación de las llantas; por lo cual la empresa carrocera, tendrá que capacitar personal para realizar el procedimiento  Enrutar los sistemas del chasis: Cuando la unidad este carrozada, se efectuará la reconexión de los sistemas hidráulicos, neumáticos y eléctricos de la unidad, para que posteriormente se realice la puesta en marcha y el autobús se mueva sobre neumáticos  Montar estructura de piso (plataforma): Se le colocará a la unidad la estructura metálica que forma el piso tanto lateral como de la plataforma en la parte trasera; se debe tener en cuenta que la plataforma se fabricará en un subensamble

1.4.2 Armado de la Carrocería: Estación 2

La estación está diseñada por proceso, agrupando todos los subensambles de las estructuras de la carrocería dentro de esta área, las cuales son: toldo, costados, frente y posterior.

Cabe destacar que en esta área se hará el transporte de los subensambles al ensamble en general por medio de una grúa viajera

(Figura 23);

se realiza en paralelo

con la preparación del chasis, para que una vez terminada se lleve a la Estación 3 Montaje de la Carrocería en Chasis

31

Capítulo 1 Marco Teórico

Figura 23 Distribución de la estación 2

1.4.2.1 Proceso de Armado de la Carrocería

El proceso es donde se efectuaran las operaciones necesarias para la fabricación de la Carrocería, como el área para los subensambles del toldo, costados, frente, posterior, plataforma, estructura de alargamiento, así como la operación del ensamble general donde se unen las partes que conforman la carrocería. Está integrado por:  Subensamble del Posterior  Subensamble del Frente  Subensamble de los Costados izq. /der  Subensamble de Toldo  Subensamble de Plataforma  Subensamble de la estructura de alargamiento  Ensamble general  Montar Toldo  Montar Costados  Montar Posterior  Montar Frente

32

Capítulo 1 Marco Teórico

Las partes que componen la carrocería del autobús de entrada baja se describen a continuación:  Piso. El piso va montado sobre el chasis de forma continua y tiene una altura estimada en la entrada de pasajeros de 400 mm; además el piso en la sección trasera del autobús de entrada baja, sube aproximadamente 344 mm (Figura 24).

Figura 24 Piso de unidad alargada

 Piso Plataforma. Es la estructura que conforma el piso de la parte trasera de la unidad, ubicada encima del motor y de los ejes trasero. El proceso actual de carrozado en la empresa no contempla este diseño de estructura, por lo que representa una actividad adicional en la línea  Frente. Estructura diferente a la que actualmente la empresa carrocera fabrica en su línea, teniendo un diseño de forma plana, que soportara el parabrisas

33

Capítulo 1 Marco Teórico

 Posterior. Parte de forma plana, el diseño es similar al que actualmente se trabaja en la empresa carrocera, se puede ensamblar en una plantilla para facilitar su ensamble  Costados. Son estructuras que tienen forma similar, con la diferencia de que en el lado izquierdo (si se ve la unidad de frente), se deben considerar espacios para la puertas de ascenso y descenso de pasajeros; actualmente estos costados se pueden fabricar con ayuda de plantillas para facilitar su fabricación y sobre todo mantener la linealidad de estas partes (Figura 25).

Figura 25 Costados de unidad de entrada baja

 Toldo. Elemento que tiene una mayor similitud con el Subensamble que actualmente está en la línea de producción, con la única diferencia que la longitud será de 1,200 mm aproximadamente, dimensión que, debido al alargamiento del chasis, representa un 13% más de la longitud del autobús que se encuentra en línea

(Figura 26).

34

Capítulo 1 Marco Teórico

Figura 26 Toldo de unidad alargada

1.4.2.2 Secuencia de armado de la carrocería

En base al resultado del análisis de las características de los subensambles que conformarán la carrocería, es posible establecer una propuesta de secuencia de armado para el ensamble de la carrocería del autobús de entrada baja.

Se inicia el proceso (Figura 27), definiendo tres etapas para el flujo de materiales para la elaboración de la carrocería:  ETAPA 1: Recepción de la materia prima ubicada en el almacén de materia prima (MP), la cual está compuesta de tubulares cuadrados, rectangulares y placas de acero  ETAPA 2: La materia prima es abastecida al área de habilitado, corte y doblez, en donde reciben la transformación en longitud y forma  ETAPA 3: Se integra la materia prima, fabricando la carrocería

35

Capítulo 1 Marco Teórico

Figura 27 Diagrama de flujo de materiales para las etapas del ensamble

En la etapa 3 de la secuencia de armado de la carrocería (Figura 28), se muestra que ésta se fabricara dentro de la línea de producción, en donde se ensamblaran los elementos: plataforma, toldo, costados, frente y posterior en plantillas individuales de montaje; posteriormente se llevarán a un área de ensamble general, en donde, cada uno de estos subensambles, se unirán en una plantilla general, utilizando una grúa viajera para transportarlos; esta propuesta no considera la utilización de un piso base en el cual se monten los subensambles, debido a que el chasis funciona como piso de la unidad, sin embargo dentro de esta etapa se fabricara la plataforma, estructura que servirá como soporte de piso en la parte trasera de la unidad y a su vez la estructura de alargamiento, las cuales que posteriormente será llevadas al área de preparación del chasis.

36

Capítulo 1 Marco Teórico

Figura 28 Diagrama de flujo para la etapa 3 Ensamble de la Carrocería

37

Capítulo 1 Marco Teórico

1.4.3 Montaje de Carrocería en Chasis: Estación 3

En esta etapa se montará la carrocería en el chasis ya alineado

(Figura 29),

y se

moverá sobre los rieles, se harán las operaciones necesarias para la unión de la carrocería con el chasis, las cuales son enlistadas a continuación:  Traslado de chasis- riel  Traslado de carrocería –grúa  Colocación aseguramiento –soldadura, mecánico  Nivelación y alineación de la carrocería-chasis  Aplicación primer –cámara  Enrutar los sistemas del chasis  Colocar neumáticos

Figura 29 Distribución de la estación 3

38

Capítulo 1 Marco Teórico

1.4.3.1 Proceso del Montaje de Carrocería en Chasis

Las actividades necesarias para llevar a cabo el proceso son:  Traslado de chasis-riel: Terminado el proceso de alineación el chasis se libera de la Estación 1, moviéndose sobre rieles toda la unidad para que se le monte la carrocería  Traslado de carrocería–grúa: Se transportará la carrocería ya terminada hacia el chasis para su unión por medio de una grúa viajera  Colocación-aseguramiento: Consiste en unir el chasis a la carrocería por medio de soldadura o uniones mecánicas, de acuerdo al Manual del Carrocero proporcionado por el fabricante del chasis; conjuntamente se realizarán los esmerilados correspondientes  Aplicación primer: Se hará una limpieza y preparación de la unidad para la aplicación de la película anticorrosiva

1.4.3.2 Realización del Montaje de Carrocería en Chasis

Una vez terminada la carrocería en el ensamble general Figura 30, toda la estructura se trasladará por medio de la grúa viajera hacia el área de montaje de línea de producción.

Figura 30 Estructura de la carrocería ensamblada. (No incluye frente y posterior)

39

Capítulo 1 Marco Teórico

Posteriormente se unirá con el chasis (Figura 31), asegurándola de acuerdo a los puntos de sujeción de las cuadernas del chasis, conforme a lo estipulado en el manual del carrocero.

Figura 31 Plantilla Universal de Brazos Neumáticos

1.4.4 Diagrama de Flujo

Con

base

en

las

operaciones,

almacenamiento, se realizó este diagrama

traslados, (Tabla 1),

demoras,

inspecciones

y

que sirve para poder ver de una

manera gráfica la secuencia que tiene el proceso de fabricación de la carrocería de la unidad de entrada baja, el corte y alargamiento del chasis y el montaje de la carrocería en el chasis. Con esta representación gráfica, se obtiene una visión general de las actividades del proceso así como su relación entre estas operaciones.

40

Capítulo 1 Marco Teórico

Descripción de la Actividad

Tiempo (s)

Depositar perfiles en el stock de materia prima Ir por perfiles al stock de materia prima Armar subensamble de frente Ir por perfiles al stock de materia prima Armar subensamble de posterior Ir por perfiles al stock de materia prima Armar subensamble de costado derecho Ir por perfiles al stock de materia prima Armar subensamble de costado izquierdo Ir por perfiles al stock de materia prima Armar subensamble de toldo Ir por perfiles al stock de materia prima Armar subensamble de plataforma Ir por parte frontal a perfil delantero Colocación del ensambles en armado general Ir por la parte posterior a perfil posterior Colocación del ensamble en armado general Ir del costado derecho a perfil de costado Colocación del ensamble en armado general Ir del costado izquierdo a perfil de costado Colocación del ensamble en armado general Ir por toldo al perfil de toldo Colocación del ensamble en armado general Soldar los subensambles Esmerilar excesos Ir por chasis al patio de unidades Recepción de chasis Montar en rieles y nivelar Quitar barras de traslado Desconexión (deshuese) Corte de sección Separación de la unidad Traslado de chasis sobre el riel a la siguiente estación Ir por plataforma al perfil de plataforma Montar plataforma Ir por la estructura general Montar estructura a la unidad Alinear estructura-chasis Soldar la unión del chasis con la carrocería Verificar alineación Ir por estructura de piso a perfil piso entre costados Montar estructura de piso a chasis (lámina) Ir por paneles de madera en materia prima Montar paneles de madera a chasis Colocación aseguramiento-soldadura-mecánico Aplicación manual primer-cámara Secado de primer Reconexión (Huase)

10 3 60 3 36 3 66 3 66 3 84 3 60 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 60 15 15 5 20 20 240 35 5 10 3 40 5 20 10 30 15 2 50 2 40 20 48 20 1080

TOTAL

2245

Distancia (m)

Operación

Transporte

Demora

Inspección

Almacenaje

2135

65

20

15

10

2 2 2 3 3 3 2 2 2 2 2

423

16 14 12

15 14

519

TABLA I Diagrama de Flujo

41

Capítulo 1 Marco Teórico

1.4.5 Diagrama de Operaciones

Se muestra la secuencia de todas las operaciones realizadas en el proceso de fabricación de la unidad de entrada baja, desde la llegada de la materia prima hasta la carrocería montada en el chasis previamente alargado. En este diagrama se señala la entrada de los componentes y subconjuntos al conjunto principal que es el chasis. El diagrama de operaciones de proceso

(Tabla II),

permitirá exponer con

claridad algún problema que se pueda manifestar en el futuro ya que la información necesaria para elaborar este diagrama se obtuvo a partir de la observación y medición directa.

42

Capítulo 1 Marco Teórico

PREPARACIÓN DE CHASIS

CARROCERÍA

7

Recepción de chasis

1

Armar subensamble del frente

8

Montar en rieles y nivelar

2

Armar subensambre posterior

9

Quitar barras de traslado

3

Armar subensamble del costado derecho

10

Desconexión (deshuese)

4

Armar subensamble del costado izquierdo

11

Corte de sección

5

Armar subensamble del toldo

12

Separación de la unidad

6

Armar subensamble de plataforma

13

Traslado de chasis sobre el riel a la siguiente estación

MONTAJE

14

Colocar en ensamble general

15

Soldar los subensambles

16

Esmerilar excesos

17

Ir por la estructura general

18

Montar estructura a la unidad

19

Alinear estructura-chasis

20

Soldar la unión del chasis con la carrocería

21

Verificar alineación

22

Montar plataforma

23

Montar estructura de piso a chasis

24

Montar paneles de madera a chasis

25

Colocación de aseguramiento

26

Aplicación de primer

27

Reconexión (huese)

TABLA II Diagrama de Operación

43

CAPÍTULO

2

ANÁLISIS ESTÁTICO DE UNA ESTRUCTURA PARA UN AUTOBÚS TIPO ENTRADA BAJA

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

2.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1.1 Fuerzas Externas e Internas 2.1.2 Diagrama Esfuerzo-Deformación 2.1.3 Análisis Estructural Lineal-No Lineal 2.1.4 Análisis Estructural Estático - Dinámico 2.2 ANTECEDENTES 2.3 CONCEPTO 2.4 METODOLOGÍA 2.5 APLICACIONES 2.5.1 Ventajas 2.5.2 Desventajas 2.6 MODELADO 2.6.1 Modelado Matemático 2.6.2 Modelado Dinámico 2.6.3 Modelado de Ensambles 2.6.4 Modelado por Simuladores 2.7 SOFTWARE DE SIMULACIÓN 2.7.1 Requerimientos del Modelado 2.7.2 Software de Simulación 2.7.3 ANSYS Software de Simulación a utilizar en el Desarrollo del Proyecto

45

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

El

Método del Elemento Finito (MEF) ha

adquirido una gran importancia en la solución de problemas físicos y de ingeniería, ya que permite resolver casos que hasta hace poco tiempo eran prácticamente imposibles de resolver por métodos matemáticos tradicionales.

Esta circunstancia obligaba, que para efectuar un Análisis de una Estructura para Autobús, se construyan prototipos, ensayarlos e ir realizando mejoras de forma reiterada, lo que traía consigo un elevado costo tanto económico como en tiempo de desarrollo.

El Método del Elemento Finito permite realizar un modelo matemático de cálculo del sistema real, más fácil y económico de modificar que un prototipo. Sin embargo no deja de ser un método aproximado de cálculo

debido

a

las

hipótesis

básicas

del

procedimiento.

Los prototipos, por lo tanto, siguen siendo necesarios, pero en menor número, ya que el primero puede acercarse bastante más a un diseño óptimo.

46

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

2.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Una

de las tareas fundamentales del ingeniero consiste en el análisis y

cálculo, esto es la predicción cuantitativa del comportamiento de un sistema tecnológico o un proceso para proceder a un diseño eficiente o para cumplir con especificaciones de producción.

Para ello debe hacer uso de conceptos de física y matemáticas, que le permitan formular un modelo matemático del sistema o proceso en consideración. Dicho modelo no es más que un sistema de ecuaciones cuyas incógnitas representan

magnitudes

de

interés

tecnológico

que

puedan

describir

el

comportamiento del objeto bajo análisis. Consecuentemente, para llevar a cabo la predicción en sí misma, se deben resolver cuantitativamente las ecuaciones para la interpretación técnica y al análisis de los resultados.

2.1.1 Fuerzas Externas e Internas

Las fuerzas existentes sobre los cuerpos pueden ser de:  Superficie: Ejercen su acción sobre la superficie de los cuerpos: la presión hidrostática, la presión del viento, etc.  Volumen: Acción de la gravedad, las fuerzas magnéticas, las fuerzas de inercia de cuerpos animados de movimiento acelerado, etc. La fuerza externa es capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo que son dirigidos hacia el interior. Si se aísla un elemento resistente de los cuerpos a los que está ligado, las acciones que estos ejercen sobre él se ven sustituidas por fuerzas exteriores; hay dos tipos de fuerzas:

47

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

 Fuerzas activas denominadas cargas  Fuerzas de reacción denominadas reacciones

Tanto las cargas como las reacciones están formadas por una fuerza y un momento.

La fuerza interna de un elemento está ubicada dentro del material por lo que se distribuyen en toda el área, es capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo que son dirigidos hacia el exterior. Son fuerzas que tienen como misión mantener unidas entre sí todas las partículas de las que está formado el sólido rígido, y si este se compone estructuralmente por varias partes, las fuerzas que mantienen la unión se definen también como fuerzas interiores

En el Diagrama de Fuerzas Externas y Fuerzas Internas

(Figura 32),

se

representa un sistema constituido por dos bloques de masas m1 y m2. Entre ambos hay rozamiento, mientras que entre el suelo y el bloque 1 no hay rozamiento. Sobre el bloque inferior se ejerce una fuerza F. Las fuerzas representadas en verde son fuerzas externas y las fuerzas representadas en rojo son fuerzas internas. Si el sistema se define tomando solamente uno de los dos bloques, entonces todas las fuerzas que actúan sobre él serían externas.

48

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

Figura 32 Fuerzas Externas y Fuerzas Internas

Algunas fuerzas se distribuyen sobre superficies tan reducidas que reciben el nombre de fuerzas o cargas puntuales como las ejercidas por las ruedas de los vehículos ferroviarios y de carretera. En las estructuras suelen diferenciarse dos tipos de acciones:  Acciones Constantes: Que actúan o pueden actuar en todo momento o durante largos períodos de tiempo, tales como:  El propio peso  La carga permanente (pavimentos, muros de fachadas, barandillas, etc.)  El peso y el empuje del terreno  Acciones Variables: que pueden actuar o no y que son:  Sobrecarga de uso (personas, vehículos, presión de un líquido sobre las paredes de un depósito, etc.)  Acciones de viento  Sobrecarga provocada por la nieve  Acciones sísmicas

49

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

Determinadas

acciones,

como

las

térmicas

y

los

asientos

de

las

cimentaciones, no son fuerzas externas; pero no obstante provocan, al igual que éstas, tensiones o fuerzas internas al obligar a las estructuras a que realicen determinados desplazamientos.

2.1.2 Diagrama Esfuerzo-Deformación

El diseño de cualquier elemento o de un sistema estructural implica responder dos preguntas:  ¿El elemento es resistente a las cargas aplicadas?  ¿Tendrá la suficiente rigidez para que las deformaciones no sean excesivas e inadmisibles?

Las respuestas implican el análisis de la resistencia y rigidez de una estructura, comenzando con dos conceptos que son el esfuerzo y deformación.

Se denomina esfuerzo a la fuerza por unidad de área, la cual se denota con la letra griega sigma (σ), y es un parámetro que permite comparar la resistencia de dos materiales, ya que establece una base común de referencia.

𝛔=

𝑷 𝑨

Donde: σ= Esfuerzo P= Fuerza axial A= Área de la sección transversal

50

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

Cabe destacar que la fuerza empleada debe ser perpendicular al área analizada y aplicada en el centro del área, para así tener un valor de σ esfuerzo constante que se distribuye uniformemente en el área aplicada. La ecuación no es válida para los otros tipos de fuerzas internas; existe otra ecuación que determina el esfuerzo para las otras fuerzas, ya que los esfuerzos se distribuyen de otra forma. El esfuerzo utiliza unidades de fuerza sobre unidades de área:  Sistema Internacional (SI): La fuerza es en Newton (N) y el área en metros cuadrados (m2), el esfuerzo se expresa por N/m2 o pascal (Pa). Esta unidad es pequeña por lo que se emplean múltiplos como es el kilopascal (kPa), megapascal (MPa) o gigapascal (GPa)  Sistema americano: La fuerza es en libras y el área en pulgadas cuadradas, así el esfuerzo queda en libras sobre pulgadas cuadradas (psi)

Los esfuerzos son magnitudes físicas con unidades de fuerza sobre área utilizadas en el cálculo de piezas prismáticas como vigas o pilares y también en el cálculo de placas y láminas:  Esfuerzo Normal

(Figura 33):

Perpendicular al plano considerado (sección de

la viga, espesor de la placa o lámina), es el que viene dado por la resultante de tensiones normales σ, es decir, perpendiculares, al área para la cual se pretende determinar el esfuerzo normal

Figura 33 Esfuerzo Normal

51

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

 Esfuerzo cortante

(Figura 34):

Tangencial al plano considerado (sección de la

viga o superficie de la placa o lámina), es el que viene dado por la resultante de tensiones cortantes T, es decir, tangenciales, al área para la cual se pretende determinar el esfuerzo cortante

Figura 34 Esfuerzo Cortante

Los desplazamientos son basados en elementos conformados que presentan las siguientes características:  Son analizados en uno solo y continuos  Se evalúan los esfuerzos y tensiones producidas en un desplazamiento  La gran mayoría de los esfuerzos y tensiones producidas en el contorno son calculando los valores de los promedios en cada nodo y fronteras entre cada elemento

La resistencia del material no es el único parámetro que debe utilizarse al diseñar o analizar una estructura; controlar las deformaciones para que la estructura cumpla con el propósito para el cual se diseñó tiene la misma o mayor importancia.

52

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

La deformación es el cambio geométrico que experimenta un cuerpo no rígido bajo la acción de las fuerzas externas y de volumen o de inercia que a él se aplican; al deformarse un cuerpo, las partículas cambian de posición.

El análisis de las deformaciones se relaciona con los cambios en la forma de la estructura que generan las cargas aplicadas. Una barra sometida a una fuerza axial de tracción aumentara su longitud inicial; se puede observar que bajo la misma carga pero con una longitud mayor este aumento o alargamiento se incrementará también.

La deformación sería el cociente:

𝛆=

𝛅 𝑳

Donde: ε = Deformación δ= Alargamiento L = Longitud inicial

Lo que indica que sobre la barra la deformación es la misma porque si aumenta L también aumentaría δ. Al observar la ecuación se obtiene que la deformación es un valor adimensional siendo el orden de magnitud en los casos del análisis estructural alrededor de 0.001 (alargamiento del 0.1 por ciento de la longitud inicial).

El diseño de elementos estructurales implica determinar la resistencia y rigidez del material estructural, estas propiedades se pueden relacionar si se evalúa una barra sometida a una fuerza axial para la cual se registra simultáneamente la fuerza

53

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

aplicada y el alargamiento producido. Estos valores permiten determinar el esfuerzo y la deformación

(Figura 35),

que al graficar originan el denominado diagrama de

esfuerzo-deformación.

Figura 35 Esfuerzo-Deformación

Los puntos importantes del diagrama de esfuerzo-deformación (Figura 36) son: A) Límite de Proporcionalidad: Hasta este punto la relación entre el esfuerzo y la deformación es lineal B) Límite de Elasticidad: Más allá de este límite el material no recupera su forma original al ser descargado, quedando con una deformación permanente C) Esfuerzo de Fluencia: Aparece en el diagrama un considerable alargamiento o cedencia sin el correspondiente aumento de carga. Este fenómeno no se observa en los materiales frágiles D) Esfuerzo Último: Máxima ordenada del diagrama esfuerzo– deformación

54

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

E) Punto de Ruptura: Cuando el material falla

Figura 36

Diagrama Esfuerzo-Deformación

Dado que el límite de proporcionalidad, elasticidad y punto de cedencia están tan cerca se considera para la mayoría de los casos como el mismo punto. De manera que el material al llegar a la cedencia deja de tener un comportamiento elástico y la relación lineal entre el esfuerzo y la deformación deja de existir.

En el diagrama esfuerzo–deformación, la línea recta indica que la deformación es directamente proporcional al esfuerzo en el tramo elástico, este principio es conocido como la Ley de Hooke:

55

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

𝑬=

𝛅 𝛆

Asimismo, la proporción representada por la pendiente de la recta, es constante para cada material y se llama Módulo de Elasticidad (E), valor que representa la rigidez de un material, pudiéndose inferir la expresión de alargamiento:

𝑷 𝑬= 𝑨 𝜹 𝑳

⇒ 𝑬= 𝟎

𝑷𝑳 𝑨𝜹

⇒ 𝜹= 𝟎

𝑷𝑳 𝑨𝑬

Los diagramas de esfuerzo–deformación son similares si se trata del mismo material, y de manera general los materiales se agrupan dentro de dos categorías con propiedades afines que se denominan materiales dúctiles y materiales frágiles (Figura 37).

56

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

Figura 37 Material Dúctil y Material Frágil

Los diagramas de esfuerzo–deformación (Figura

38)

dúctiles

de materiales

se

caracterizan

por ser capaces de resistir grandes antes

deformaciones de

la

rotura;

mientras que los frágiles presentan un alargamiento bajo

cuando

llegan

al Figura 38

punto de ruptura.

Diagrama Esfuerzo-Deformación A) Material Frágil B) Material Dúctil

2.1.3 Análisis Estructural Lineal - No Lineal

Un análisis estructural

(Figura 39)

entre causas y efectos; es decir,

Lineal asume que existe una relación lineal

entre la carga aplicada a la estructura y el

desplazamiento lineal. Para el cumplimiento de esta premisas se debe verificar que el material sea elástico lineal y los desplazamientos de la estructura sean pequeños; la linealidad es una excelente aproximación para muchos fenómenos físicos y ha sido utilizada exitosamente diseñando innumerables componentes complejos, pero son muy pocos los fenómenos físicos que procuran una linealidad. Cuando no se cumplen algunas de las premisas anteriores el comportamiento de la estructura es No-Lineal:  No-linealidad Física: Cuando el comportamiento de la estructura se debe solamente a que el material no es lineal

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

 No-Linealidad Geométrica: Se debe a que los desplazamientos en la estructura no son pequeños

Figura 39 Gráfica de Comportamiento Estructural Lineal y No Lineal

Los problemas No-Lineales tienen las siguientes características:  Responden de una manera muy general y se obtienen resultados más precisos  Mayor complejidad para la obtención de los resultados  Una solución repetida es requerida  No hay garantía de que se obtenga una solución coherente  Mayor tiempo en el desarrollo del análisis  Al cuidar el tipo de material puede que se dificulte el análisis en los datos

Las características No-Lineales que se representan utilizando el Elemento Finito son:  Geometría no lineal: Mayor torsión y rotación

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

 Materiales no lineales: Plasticidad y Visco elasticidad  Aplicaciones no lineales: Formado de metal, Análisis de impacto y

destrucción, Análisis de procesos de manufactura, Análisis de materiales no lineales, Análisis de sistemas sujetos a cargas últimas, Evaluación forense

2.1.4 Análisis Estructural Estático-Dinámico

Un análisis estructural no toma en cuenta el efecto inercial de la estructura en la solución del análisis, desde una perspectiva práctica quiere decir que la carga está siendo aplicada lentamente y la estructura está respondiendo considerablemente a la aceleración generada por las fuerzas y este movimiento es el que se emite.

El análisis dinámico comprende el análisis de las fuerzas, desplazamientos, velocidades y aceleraciones que surgen como resultado de los desplazamientos y deformaciones en una estructura o mecanismo. La aplicación donde se requiere un análisis dinámico es en problemas de vibraciones, de impacto y de destrucción.

El análisis estático comprende las estructuras sometidas a cargas estáticas, tales como el peso propio de la estructura y las cargas de uso, permitiendo relacionar las fuerzas y las deformaciones.

Muchos de los problemas estáticos lineales y no lineales se resuelven muy fácilmente y presentan las siguientes características:  Cargas: Puntos de cargas, desplazamientos específicos, presiones, aceleraciones (lineales y angulares) y cargas térmicas  Propiedades de los materiales: Isótropo, Ortotrópico y Anisotrópico  Material con no linealidades: Elasticidad no lineal y Plasticidad isotrópica  Geometría con no linealidades: Deflexiones y tensión con amplio rango

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

La gran mayoría de los problemas lineales y no lineales dinámicos contienen las siguientes características: 

Modal (frecuencias naturales y modo de las figuras): Estructuras

pretensadas y espectro de cargas 

Frecuencia armónica: Condiciones generales de carga y estructuras

pretensadas 

Dinámico: Condiciones generales de cargas, material no lineal y

geometría no lineal

2.2 ANTECEDENTES

Aunque

el nombre del Método del Elemento Finito se ha establecido

recientemente, el concepto se ha usado desde hace varios siglos.

El empleo de métodos numéricos de resolución de ecuaciones para encontrar soluciones a problemas de ingeniería, es utilizado desde la antigüedad; el concepto del Elemento Finito parte de esa idea. Para encontrar vestigios de este tipo de cálculos hay que remontarse a:  Los antiguos matemáticos usaban Elemento Finito (segmentos de rectas) para obtener estimaciones muy exactas del

valor de



(casi cuarenta

dígitos)  Los egipcios empleaban, en la época de la construcción de las pirámides egipcias, Métodos de Discretizado para determinar el volumen de las pirámides  Arquímedes de Siracusa (287-212 aC) empleaba el mismo método para calcular el volumen de figuras planas y volúmenes de sólidos, aunque no

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

tenía el conocimiento del procedimiento de límite (situación que impidió que descubriera el Cálculo Integral)  En Oriente aparecen métodos de aproximación para realizar cálculos  Lui Hui (300 dC) matemático chino empleaba un polígono regular de 3072 lados para calcular longitudes de circunferencias con lo que conseguía una aproximación al número Pi de 3.1416  1851 Alfred Schellbach describe la solución de un problema de superficie mínima, la cual se acerca al Método del Elemento Finito  1909 Walter Ritz desarrolló un método con el cual se pueden obtener soluciones aproximadas de problemas asociados al campo de la mecánica, procedimiento similar a la estimación de los parámetros de ajuste en los problemas de mínimos cuadrados  1915 Boris Grigoryevich Galerkin publica artículos que serán los fundamentos del Método de Galerkin para la solución de ecuaciones diferenciales parciales  1920

los problemas pueden ser resueltos más fácilmente si se utilizan

funciones de base para describir el estado de los desplazamientos por un principio de variación  1940 se inicia la aplicación del Método del Elemento Finito en el campo de la ingeniería estructural  1941 Alexander Hrennikoff presentó una solución de problemas de elasticidad usando el método del trabajo de marco, denominado frame work  1943 McHenry utilizaba una red de línea (unidimensional), elementos (barras y vigas) para la solución de las tensiones en sólidos continuos  1943 Richard Courant describe en su obra "Variational methods for the solution of problems of equilibrium and vibrations" la manera de utilizar el Método de Ritz de Análisis Numérico y minimización de las variables de cálculo para obtener soluciones aproximadas a un sistema de vibración, y como un método para modelar problemas de torsión

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

 1947 M. Levy demostró la utilidad del método de la flexibilidad o de las fuerzas para el análisis de estructuras  1950 L.B. Wehle y W. Lansig completo la teoría de la flexibilidad  1953 M. Levy desarrollo el método de la rigidez o desplazamientos y estableció las ecuaciones en forma matricial  1954 Argyis y Kelsey

desarrollaron métodos matriciales en el análisis

estructural, utilizando los principios de la energía para la solución de problemas de elasticidad en barras y vigas  1955 Argyris publica un libro sobre Teoremas de Energía y Métodos Matriciales; creó métodos adicionales en los estudios del Método del Elemento Finito  1956 M.J. Turner primer procedimiento sobre tratamiento de elementos bidimensionales triangulares y rectangulares en tensión plana  1959 Las Corporaciones MacNeal-Schwendler y Computer Sciences elaboraron en la NASA el primer código de importancia para el Análisis del Elemento Finito, llamado NASTRAN y fue usado en la industria aeroespacial, aunque también tuvo otras aplicaciones en áreas de la ingeniería civil, como el análisis de estructuras  1960 R. W. Clough utilizó por primera vez el término del Elemento Finito, cuando elementos triangulares y rectangulares se utilizaron para el análisis de tensiones en el plano.  1961 H.J. Melosh piso rectangular, vigas de plata, elementos de matriz rígida  1963 P.E. Grafton y D.R. Strome trataron los problemas de pandeo, desarrollaron las curvas de flexión de cascara, elementos de matriz rígida por cascaras asimétricas y presiones  1964 Martín, Gallagher, Melosh y Argyris extensión del Método del Elemento Finito en tres dimensiones con el desarrollo de una matriz de rigidez tetraédrica

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

 1965 Clough, Rashid y Wilson casos de sólidos asimétricos  1965 J.S. Archer consideró el análisis

dinámico en el desarrollo de la

matriz masa-consistencia, el cual es aplicable para el análisis de sistema de distribución de masas  1967 O.C. Zienkiewicz y Chung publican el primer libro del Elemento Finito  1968 se desarrolló el método de problemas de visco-elasticidad  1969 A. Szabo y D.C. Lee derivan la ecuación relativa usada en análisis estructural  1970 O.C. Zienkiewicz y B. Parekh derivan las ecuaciones de elasticidad para la transición de problemas de campo, reconocen que cuando una fórmula directa y variación de formulaciones son difíciles o no posibles para usar, el Método de Ponderación Residual puede ser apropiado  1972 Oden publica un libro sobre continuos no lineales  1974 M. Levy desarrolló la flexibilidad o el método de la fuerza  1976 T. Belytschko considero los problemas asociados con longituddesplazamiento

no lineal de comportamiento dinámico, y se mejoran

técnicas numéricas para resolver la resultante de un sistema de ecuaciones  1977 J. M. Lyness aplicó el Método de Residuos Ponderados a la determinación de campo magnético  1980 con la generalización de las computadoras personales, se extiende el uso de los programas comerciales que se especializan en los diversos campos, instaurándose el uso de pre y postprocesadores gráficos que realizan el mallado y la representación gráfica de los resultados. Se continúa en el estudio de la aplicación del método a nuevos modelos de comportamiento (plasticidad, fractura, daño continuo, etc.) y en el análisis de los errores

En la actualidad, dentro del campo estructural, sobresalen el Método del Elemento Finito y el Método Matricial, siendo muchos los programas que mezclan el

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

análisis por ambos métodos, debido a la mayor necesidad de memoria que requiere el Análisis por Elemento Finito.

Así se ha dejado la aplicación del Método del Elemento Finito para el análisis de elementos continuos tipo losa o pantalla; mientras que los pórticos siguen todavía discretizándose en barras y utilizando el método matricial.

Como consecuencia de la caída en el costo de las computadoras y del incremento en la potencia de cálculo, el Método del Elemento Finito ha desarrollado una increíble precisión.

Actualmente el método se encuentra en una fase de gran expansión, es ampliamente utilizado en la industria y continúan apareciendo cientos de trabajos de investigación en este campo. Las computadoras han aportado el medio eficaz de resolver la gran cantidad de ecuaciones que se plantean en el Método del Elemento Finito, cuyo desarrollo práctico ha ido de la mano de las innovaciones obtenidas en el campo de la arquitectura.

Además de permitir la descentralización de los programas de Elemento Finito, ha contribuido a favorecer su uso a través de sofisticados paquetes gráficos que facilitan el modelado y la síntesis de resultados.

Como se puede observar, se han hecho grandes avances en la aplicación del Método del Elemento Finito en la solución de problemas complicados en el área de la ingeniería. Hoy en día ya se concibe la conexión inteligente entre las técnicas de análisis estructural, las técnicas de diseño (CAD) y las técnicas de fabricación.

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

2.3 CONCEPTO

Es un método de cálculo utilizado en diversos problemas de ingeniería, que se basa en considerar al cuerpo o estructura dividido en elementos discretos, con determinadas condicione de vínculo entre sí, generándose un sistema de ecuaciones que se resuelve numéricamente y proporciona el estado de tensiones y deformaciones.

Es un procedimiento numérico aplicable a un gran número de problemas con condiciones de borde impuestas (en las estructuras las condiciones de borde serían: restricciones y cargas externas).

Al efectuar una clasificación de las estructuras, éstas suelen dividirse en:



Discretas

o

reticulares:

Están

formadas

por un

ensamblaje de elementos claramente diferenciados unos de otros y unidos en una serie de puntos concretos, de tal manera que el sistema total tiene forma de malla o retícula. La característica fundamental de las estructuras discretas es que su deformación puede definirse de manera exacta mediante un número finito de parámetros (deformaciones de los puntos de unión de unos elementos y otros). De esta manera el equilibrio de toda la

estructura

puede

representarse

mediante

las

ecuaciones de equilibrio en las direcciones de dichas deformaciones (Figura

Figura 40 Estructura Discreta

40)

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

 Continuas: No es posible separar el sistema en un número finito de elementos discretos. Si se toma una parte del sistema, el número de puntos de unión entre dicha parte y el resto de la estructura es infinito, y por lo tanto imposible utilizar el mismo método que en los sistemas discretos, pues los puntos de unión entre los distintos elementos, que allí aparecían de manera natural, no existen aquí.

Las estructuras continuas son muy

frecuentes en ingeniería, y para su análisis es necesario disponer de un método que tenga en cuenta su naturaleza continua (Figura

41)

Figura 41 Estructura Continua

Hasta la llegada del Método del Elemento Finito los sistemas continuos se abordaban analíticamente, pero por esa vía sólo es posible obtener solución para sistemas con geometría muy sencilla, y/o con condiciones de contorno simples

(Figura

42).

Figura 42 Estructuras Discretas y Continuas

También se han utilizado técnicas de diferencias finitas, pero éstas plantean problemas cuando los contornos son complicados.

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

2.4 METODOLOGÍA

Calcular las deformaciones, tensiones y esfuerzos, con métodos clásicos de análisis, se logra a través de la solución manual de sus ecuaciones, y sus condiciones de frontera. El uso de métodos clásicos, es probablemente la mejor forma de analizar estructuras simples; no obstante, su uso es poco aconsejable cuando el sistema es complejo. En estos casos la mejor alternativa, es usualmente una solución obtenida con el Método del Elemento Finito (Figura 43).

La primera diferencia entre los métodos clásicos y los de Elemento Finito es la forma de ver la estructura y el procedimiento de solución.  Los métodos clásicos consideran la estructura como continúo, cuyo comportamiento es gobernado por ecuaciones diferenciales parciales u ordinarias  El Método del Elemento Finito permite obtener una solución numérica aproximada de problemas reales aplicados en un medio continuo, sobre el cual se definen ecuaciones diferenciales que caracterizan dicho medio físicamente

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

Figura 43 Proceso de Análisis del Elemento Finito

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

El sistema continuo se divide en un número n de subdominios no intersectantes entre sí, denominados Elemento Finito, los cuales se dividen de acuerdo a las propiedades del elemento:  Elemento simple de línea

(Figura 44)

con dos nodos, utilizado para

representar una barra o elemento de la viga y el elemento de línea de orden superior

Figura 44 Elementos para Elasticidad Unidimensional

 Elemento simple bidimensional

(Figura 45)

con nodos de esquina, utilizado

para representar tensión plana/tensión y de orden superior de dos dimensiones

Figura 45 Elementos para Elasticidad Bidimensional

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

 Elemento tridimensional simple

(Figura 46)

utilizados para representar el

estado de tensión tridimensional y elementos tridimensionales de orden superior con nodos intermedios a lo largo de los bordes

Figura 46 Elementos para Elasticidad Tridimensional

 Elementos Axisimétricos

(Figura 47)

utilizados para problemas axisimétricos:

simples aximétrica, triangulares y cuadriláteros

Figura 47 Elementos Axisimétricos

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

El conjunto de Elemento Finito formarán las llamadas discretizaciones 48)

(Figura

del dominio.

Figura 48 Discretización de cuerpos

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

Dentro de cada elemento se distinguen una serie de puntos representativos llamados nodos

(Figura 49).

Dos nodos son adyacentes si pertenecen al mismo

elemento finito; además, un nodo sobre la frontera de un elemento finito puede pertenecer a varios elementos.

Figura 49 Nodos y Líneas de Conducción

El conjunto de nodos considerando sus relaciones de adyacencia se llama malla

(Figura 50).

La generación de la malla se realiza usualmente con programas

especiales llamados generadores de mallas.

Figura 50 Mallado de un Sólido

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

En la actualidad, la mayoría de los programas de cálculo por el Método del Elemento Finito, implementan sus propios códigos y algoritmos de mallado. A esta fase del proceso se la denomina pre-proceso.

En cada nodo de la malla, se definen los grados de libertad

(Figura 51),

que

son los desplazamientos compatibles de acuerdo con las relaciones de adyacencia o conectividad en esos puntos.

Figura 51 Grados de Libertad

El conjunto de relaciones del valor de una determinada variable entre los nodos se puede escribir en forma de sistema de ecuaciones lineales. La matriz de dicho sistema de ecuaciones se llama matriz de rigidez

(Figura 52)

del sistema, siendo

el número de ecuaciones de dicho sistema proporcional al número de

Figura 52 Matriz de Rigidez

nodos.

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

Una importante propiedad del método es la convergencia; al refinar la malla la solución tiende hacia la exacta solución teórica; la cual, generalmente, no se conoce. Para garantizar la convergencia, a las ecuaciones del sistema se les impone unos criterios que garantizan la tendencia hacia la solución real.

El Análisis por Elemento Finito se calcula de forma genérica en el campo de los desplazamientos, a lo que se denomina fase de cálculo. En una fase posterior denominada

post-proceso,

mediante

relaciones

cinemáticas

y

ecuaciones

constitutivas de los materiales que componen el medio continuo, se generan los campos de tensiones y deformaciones, cuando se trata de problemas de mecánica de sólidos deformables.

La ventaja de este método reside en su generalidad y en la facilidad de introducir dominios de cálculo en 2 y 3 dimensiones. Esta generalidad permite adaptar el método a problemas de diversa índole en los cuales resulta complejo encontrar su solución analítica de forma más o menos sencilla, como son problemas de transmisión de calor, mecánica de fluidos, campos electromagnéticos, en estos casos, el Método del Elemento Finito se convierte en la única alternativa práctica para el cálculo. La combinación de las técnicas de diseño con este instrumento de cálculo y con herramientas informáticas, está presente en innumerables campos de la ingeniería.

2.5 APLICACIONES

Las aplicaciones de este método tienen un gran campo de trabajo; puede ser utilizado para analizar:  Problemas Estructurales: Comportamiento de sistemas estáticos y dinámicos, análisis dinámico, análisis no lineal, análisis de esfuerzos y deformaciones

de

automóviles,

aeronaves,

edificios

y

estructuras

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

(incluyendo entramado y análisis de marco, problemas de concentración de esfuerzos asociados con agujeros, redondeos, u otros cambios en la geometría de un cuerpo), diseño mecánico, pandeo, análisis de vibración  Problemas No Estructurales: Comportamiento de sistemas térmicos, transferencia de calor, mecánica de fluidos, incluyendo la filtración a través de medios porosos, distribución de potencial eléctrico o magnético, flujo magnético  Problemas de Ingeniería Biomecánica: Análisis de la columna vertebral humana, cráneo, articulaciones de la cadera, la mandíbula, goma de implantes de dientes, el corazón y los ojos

Todas las aplicaciones deberán realizar pruebas en prototipos, con el fin de llevarlos a un análisis muy preciso y poder obtener soluciones analíticas, que brinden información específica y fidedigna.

2.5.1 Ventajas:  Modelar una forma irregular con facilidad  Manejar las condiciones generales de carga sin dificultad  Modelar cuerpos compuestos por varios materiales diferentes, ya que los elementos iguales son evaluados individualmente  Manejar un número ilimitado y tipos de condiciones de contorno  Variar el tamaño de los elementos para hacer posible el uso de elementos pequeños donde sea necesario  Modificar los Elemento Finito relativamente fácil y barato  Incluye efectos dinámicos  Manejar el comportamiento no lineal existente, con grandes deformaciones y materiales no lineales

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

2.5.2 Desventajas:  El costo inicial del desarrollo de programas de propósito general es alto, son menos eficientes que los programas de propósito especial  Son relativamente cortos, con bajos costos de desarrollo  Son eficientes en la solución de los problemas que estaban destinados a resolver.

Los programas de propósito especial tiene incapacidad para

resolver diferentes clases de problemas

El Método del Elemento Finito se basa en transformar un cuerpo de naturaleza continua (de infinitos grados de libertad) en un modelo discreto (de finitos grados de libertad), cuyo comportamiento se modela por un sistema de ecuaciones lineales o no; esa transformación se denomina Discretización del Modelo. El conocimiento de lo que sucede en el interior de este modelo del cuerpo es aproximado, se obtiene mediante la interpolación de los valores conocidos en los nodos. Es por tanto una aproximación de los valores de una función a partir del conocimiento de un número determinado y finito de puntos.

2.6 MODELADO

Debido a la dificultad para obtener soluciones analíticas a las ecuaciones del modelo matemático, la ingeniería ha recurrido al uso de modelos simplificados basados en resultados experimentales, experiencia y en el mejor de los casos en soluciones matemáticas particulares relativas a un modelo más preciso.

La metodología general de la ingeniería ha dado muy buenos resultados y aún lo sigue haciendo. No obstante, es importante notar que se trata de una metodología que presenta fuertes limitaciones en cuanto a las posibilidades de análisis, hecho

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

que se hace más grave si se consideran las crecientes necesidades de la tecnología moderna.

Esta situación ha ido cambiando con la llegada de la computación y con el desarrollo asociado de métodos computacionales. Han aparecido importantes técnicas numéricas entre las cuales se destacan los métodos de diferencias finitas, elementos de contorno y Elemento Finito. Los avances en el hardware, han facilitado y aumentado la eficiencia del software de Elemento Finito, para la solución de sistemas complejos de ingeniería sobre computadores personales

El Método del Elemento Finito, es un procedimiento basado en técnicas computacionales, que puede ser usado para analizar estructuras y diferentes sistemas continuos. Es un método numérico versátil, y que es ampliamente aplicado para resolver problemas que cubren casi todo el espectro de análisis de ingeniería. En la ingeniería actual, el modelado sólido (Figura 53) se ha convertido

en

una

herramienta

básica. Los grandes desarrollos de producto comienzan con una idea sencilla,

pero el 90% de los

proyectos acaban pasando por un modelado sólido. Figura 53 Modelado de un Sólido

Uno de los factores que influyen directamente en la productividad es el uso de sistemas automatizados de diseño. Es vital tener un buen conjunto de herramientas de diseño y cálculo integradas, que permitan procesos de desarrollo paralelos a las diferentes áreas implicadas en el proyecto.

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

De esta forma el modelado sólido constituye un pilar fundamental del entorno de diseño de un producto. Los modeladores sólidos aportan grandes ventajas para representar informáticamente la réplica exacta de un modelo físico: se puede manipular, ensayar y simular el funcionamiento del producto por lo que constituye una herramienta muy valiosa para los ingenieros de diseño y fabricación.

El objetivo del análisis por medio del Método del Elemento Finito, es determinar de forma precisa la respuesta de un sistema modelado con una cantidad finita de elementos y sujeto a unas cargas determinadas.

En la generación de un Modelo por Elemento Finito, siempre se tiene presente que se está desarrollando un modelo el cual es una idealización de un sistema físico real. Con muy pocas excepciones, como el del análisis estático de vigas simples, marcos y sistemas de membranas, el Método del Elemento Finito no genera una solución exacta.

Sin embargo, con un modelo adecuado, se puede obtener una solución precisa:  Si el objetivo del ingeniero, es el desarrollo de código de Elemento Finito, entonces una profunda comprensión de la teoría de Elemento Finito es esencial.  Si el objetivo, es el uso del código de Elemento Finito, entonces para el análisis es necesario tener:  Básica comprensión de los conceptos fundamentales del Método del Elemento Finito  Práctica en el programa computacional que va a ser usado, incluyendo el conocimiento de las capacidades y limitaciones

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

Cuando la formulación analítica de un problema es difícil de desarrollar, el Método del Elemento Finito provee uno de los más fiables métodos para atacar el problema.

En la creación de un modelo de Método del Elemento Finito se debe esforzar por la precisión y la eficiencia computacional. En la mayoría de los casos, el uso de un modelo complejo y muy refinado no es justificable, aunque probablemente genere mayor exactitud computacional a expensas de un innecesario incremento en el tiempo de procesamiento. El tipo y la complejidad del modelo dependen sobre todo del tipo de resultados requeridos.

Como regla general, un Modelo de Elemento Finito puede empezar con un modelo simple. Los resultados de este modelo sencillo, combinados con la comprensión del comportamiento del sistema, puede ayudar a decidir si es necesario refinar el modelo y en que parte del mismo.

2.6.1 Modelado Matemático

Los fenómenos o sistemas dinámicos se pueden representar frecuentemente por medio de ecuaciones diferenciales ordinarias y, en muchos casos, con gran fidelidad. El dato izquierdo de la ecuación diferencial en su forma normal, representa el mecanismo de respuesta del sistema. El dato derecho se refiere a la entrada o excitación (descontrol) del sistema. Nos referimos a sistemas continuos pero cuyas entradas pueden ser continuas o discontinuas.

El mecanismo de respuesta del sistema se representa mediante una relación de las coordenadas y sus derivadas. Para simplificar la formulación conviene utilizar en la misma el mínimo número de coordenadas; es decir, el correspondiente a los

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

grados de libertad. El conjunto de dichas coordenadas y sus derivadas, excepto las de más alto orden constituyen las variables de estado.

En el problema de simulación se conoce además la configuración inicial del sistema, es decir el valor inicial de las variables. Para accionar un sistema dinámico se requiere descontrolar su estado de equilibrio; se distinguen dos maneras de llevarlo a cabo:  Mediante una configuración inicial que satisfaga las condiciones de equilibrio. En tal caso, el sistema actuará para restablecerlo.  Mediante la aplicación de un agente externo cuyas características son función y tiempo; y que, por lo tanto, alteran el equilibrio durante el transcurso del proceso dinámico. La aplicación de dicho agente constituye la excitación del sistema.

Un sistema sin descontrol se denomina libre, mientras que un sistema con descontrol de su sistema de equilibrio se denomina forzado. El mecanismo de respuesta del sistema tiene ciertas características constantes que se denominan parámetros.

2.6.2 Modelado Dinámico

Hay una creciente demanda por modelado dinámico en Método del Elemento Finito en la industria de vehículos pesados; muchas compañías automotrices se están alejando del tradicional análisis estático y están haciendo uso de software de simulación dinámica, el cual incluye la aplicación del Método del Elemento Finito en un sentido más realista para tener en cuenta los efectos complicados de analizar varios componentes y ensambles con características reales.

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

2.6.3 Modelado de Ensambles

La simulación dinámica, usada en conjunción con el modelado de ensambles, introduce la necesidad de unir componentes de distintos materiales y geometrías. Así que, las herramientas para la ingeniería asistida por computadora deben tener capacidades comprensivas para utilizar fácilmente conectores en los modelos, los cuales pueden incluir uniones que permiten movimiento relativo entre los componentes, remaches y soldaduras. Modelos típicos están compuestos de cuerpos rígidos (ruedas, ejes, cuadros, motores, cabina, y remolque) conectados por uniones ideales y elementos de fuerza. Las uniones y los eslabones pueden ser modelados como eslabones rígidos, resortes o amortiguadores para así simular las características dinámicas de los componentes de un camión real.

La transferencia de fuerza a través de los componentes de un ensamble por conducto de conectores, los hace susceptibles a esfuerzos altos. Es más sencillo y fácil el idealizar conectores como uniones rígidas en estos sistemas. Esta idealización provee un estudio básico del comportamiento del ensamble en términos de entender las características del sistema; los ingenieros deben modelar uniendo parámetros como lo son las piezas de enlace en forma precisa para que cuando se realice el análisis de esfuerzos puedan determinarse posibles fallas.

2.6.4 Modelado por Simuladores

Como ya se mencionó, los dos elementos: mecanismos de respuesta y excitación se representan en el modelo matemático mediante una ecuación diferencial; la respuesta o solución se obtiene de la integración de dicha ecuación, por lo que la simulación matemática de los fenómenos dinámicos consiste de una o varias integraciones. Sin embargo, en un gran número de casos de importancia

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

práctica no existe la solución analítica o es muy difícil de obtener, por lo que hay que recurrir a algún tipo de simulación de sistemas que se representan por ecuaciones diferenciales no lineales.

2.7 SOFTWARE DE SIMULACIÓN

El software de simulación por el Método del Elemento Finito tiene tres niveles de actividad:  Pre procesamiento: Incluye todas las actividades de modelado del problema e ingreso de datos, tales como: coordenadas de los nodos, conexión entre los nodos, condiciones de frontera, cargas aplicadas, propiedades de material y de los elementos  Análisis: Se utiliza un paquete de CAD para generar la estructura o cuerpo de estudio, ya que ofrece mejores herramientas en el dibujo y modelado del mismo; es importante elegir el tipo y tamaño de los elementos que componen el mallado. El resultado final es un archivo de datos en el cual se le específica al programa lo que debe de realizar y con que debe trabajar  Post procesamiento: Se incluye la presentación de los datos generados en los niveles anteriores, tales como: las deformaciones, distribuciones de esfuerzos, temperaturas, etc. Los resultados son tabulares y enriquecidos con una simbología de colores, la cual permite apreciar los valores máximos y mínimos del cuerpo

Concluidos los pasos anteriores, se continúa con la interpretación de los resultados obtenidos, aplicando todos los conocimientos de ingeniería adquiridos en la preparación y sobre todo la experiencia lograda hasta ese momento. En esta etapa se debe hacer un análisis profundo de los resultados obtenidos, para determinar si

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

éstos son lógicos y congruentes; de no ser así, se puede asumir que la modelación realizada no fue totalmente adecuada, y se debe de realizar una nueva valoración del problema, para que con ello se pueda tener una modelación adecuada.

2.7.1 Requerimientos del Modelado:

Todos los programas de Métodos de Elemento Finito requieren de algunos de los siguientes aspectos:  Definición completa de la geometría, así como el tipo de elemento que va a componer la malla  Especificación de las propiedades de frontera  Especificación de las condiciones y restricciones de desplazamiento  Especificaciones de las fuerzas y momentos a las que esté sometido

Estos datos son propios de un análisis de esfuerzos de tipo lineal; en caso de tratarse de un análisis diferente (térmico, de fluidos u otro), se tendrán que definir los parámetros adecuados y equivalentes al problema a analizar.

2.7.2 Software de Simulación

Son

programas que implementan el Método del Elemento Finito, y que

permiten acceder rápidamente a la solución de un análisis específico. Entre los programas disponibles se destacan:

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

ABAQUS Para análisis de tipo no lineal y dinámico

Programa de Simulación que aplica el Método del Elemento Finito para: cálculos estructurales dinámicos y estáticos lineales y no lineales, simulación de impactos, contacto de sólidos, térmicos, acoplamientos acústico-estructurales, mecánica de fluidos, piezas eléctricas. Consta de:  Abaqus/CAE (Complete Abaqus Environment)  Abaqus/CFD (Computational Fluid Dynamics)  Abaqus/Standard y Abaqus/Explicit

ALGOR Para computadoras personales (PC) y estaciones de trabajo

Programa de Simulación de Análisis de Elemento Finito para Linux y Microsoft Windows. Utilizado por científicos e ingenieros, ha encontrado aplicación en el sector aeroespacial

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

ANSYS De propósito general, para computadoras personales (PC) y estaciones de trabajo

Software de Simulación que funciona bajo el Método de Elementos Finitos para estructuras y dinámica de fluido computacional. Está dividido en tres módulos: preprocesador (creación de geometría y mallado), procesador y post-procesador. Tanto el pre-procesador como el post-procesador están provistos de una interfaz gráfica. La solución de problemas incluye: análisis de estructuras dinámicas y estáticas (lineales y no lineales), análisis de transferencia de calor y fluidodinámica, acústicas y electromagnetismo

85

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

COSMO/M Software de uso general

Programa de Análisis por Elemento Finito utiliza herramientas de:  Análisis Estructurales Estáticos y Dinámicos Lineales y No Lineales  Modelador Geométrico, pre-procesador y post-procesador de Elemento Finito para el mallado y visualización de resultados en piezas y ensamblajes  Análisis de desplazamientos, tensiones, frecuencias, pandeo, optimización, transferencia de calor (lineal y no lineal), fatiga, mecánica de fluidos  Análisis de electromagnetismo de baja y alta frecuencia  Optimización del diseño

DYNA-3D Programa de propósito general avanzado

Programa tridimensional para el Análisis de Elemento Finito, deformación de sólidos y estructuras inelásticas; contiene 30 modelos de material y 10 ecuaciones para cubrir una amplia gama del comportamiento de material

86

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

FEMAP

Programa de Simulación de ingeniería avanzada que crea modelos de Análisis de Elemento Finito de sistemas complejos. El uso de la capacidad de simulación digital puede:  Predecir y mejorar el rendimiento y la fiabilidad del producto  Reducir el tiempo y creación de prototipos físicos costosos y pruebas  Evaluar diferentes diseños y materiales  Optimizar diseños y reducir el uso de materiales  Incluye capacidades especializadas para las tareas de modelado:  Extracción plano medio de estructuras de paredes finas para la creación de modelos más eficientes y precisos de concha  Modelado de piezas soldadas que conecta partes soldadas sólidos discretos juntos en un modelo contigua  Superficies de datos que le permiten crear condiciones de carga complejas sobre la base de los resultados del análisis previo para aplicaciones multifísica

87

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

GT-STRUDL

Programa de Diseño y Análisis Estructural herramienta de mayor aceptación para el analista y el ingeniero. Programa utilizado en Arquitectura-IngenieríaConstrucción (AEC), CAE / CAD. Sistema capaz de suministrar datos técnicos para la toma de decisiones de diseño. Integra modelado gráfico y pantalla de resultados, cuadro y análisis estático y dinámico (lineal y no lineal)

MARC

Programa de Simulación de Análisis de Elemento Finito no lineal para simular con precisión los resultados bajo condiciones estáticas, dinámicas y múltiples escenarios de carga física. La versatilidad del programa lo hace ideal para la solución de diseños complejos. Sus tecnologías innovadoras y metodologías de modelado, permiten simular el comportamiento de los sistemas mecánicos

88

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

NASTRAN NAsa STRess ANalysis De propósito general para mainframes

Programa para Análisis de Elemento Finito en el comportamiento de tensión/deformación, respuesta dinámica y la vibración y los gradientes térmicos en sistemas. Conocido como el solucionador multidisciplinar más confiable, ofrece capacidad de análisis estáticos y dinámicos lineales y no lineal, acústica y térmicas interiores/exteriores y de acoplamiento entre la interacción térmica, estructural y de fluidos

NISA

Programa de Simulación de análisis de ingeniería para industrias de Artículos Deportivos,, Automotriz, Aeroespacial, Energía y Electricidad, Civil, Electrónica. Su entorno está integrado pre/post- procesamiento dentro de una interfaz gráfica de usuario, la interoperabilidad sin fisuras con los principales software de CAD

89

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

Pro Engineer Mechanica

Programa de análisis modal, tiene la capacidad de realizar el análisis modal y el análisis modal de pretensado, para conocer las frecuencias naturales y las formas modernas de su modelo ProE

SAP2000

Programa de ingeniería estructural, analiza cualquier tipo de estructuras y diseña elemento por elemento de manera precisa, con los reglamentos: ACIEU, RCDF-México, EUROCÓDIGO en Europa

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Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

SDRC/I-DEAS Structural Dynamics Research Corporation/Integrated Design and Engineering Analysis Software Paquete completo de CAD/CAM/CAE

Programa de Diseño Asistido por Computadora, se utiliza en la Industria Automotriz: Ford Motor Company (estandarizo el programa) y por General Motors

2.7.3 ANSYS Software de Simulación a utilizar en el Desarrollo del Proyecto

Para los cálculos de este proyecto se utilizará un software de Análisis por Elemento Finito llamado ANSYS en su versión 14 Educacional a través de su interfaz MECHANICAL APDL.

ANSYS está dividido en tres herramientas llamados módulos:  Pre-procesador: Creación de geometría y mallado, provisto de una interfaz gráfica  Procesador  Post-procesador: Provisto de una interfaz gráfica

El programa incluye:  Análisis de estructuras dinámicas y estáticas (lineales y no-lineales)

91

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

 Análisis de transferencia de calor y fluidodinámica  Problemas de acústicas y de electromagnetismo

Estas herramientas se utilizan simultáneamente logrando mezclar problema de estructuras con problemas de transferencia de calor como un todo. EL software es usado también en ingeniería civil, eléctrica, física y química. Las principales características del programa son:  Integrado: Admite la asociación de distintas tecnologías para el desarrollo de un producto sin abandonar una única plataforma. Además su integración permite la asociación con el software más avanzado de CAD. Su sistema de integración permite incluirse sin dificultad en sistemas de documentación propios de cada empresa  Modular: Permite instalar únicamente una aplicación para la solución de un problema específico. A medida que el usuario avanza en la solución, este puede necesitar análisis más complejos, hasta llegar al procesa de validación. Los distintos módulos de ANSYS permiten solucionar los problemas por partes  Extensible:

Propone

aplicaciones

verticales

o

adaptaciones

más

específicas según se requiera. Las adaptaciones pueden automatizar procesos que se realizan hasta aplicaciones más complejas que se adaptan a determinados sectores industriales

La mayoría de los errores de ANSYS, más que basarse en el programa mismo, se basan en el Elemento Finito utilizado por el programa para realizar los análisis:  La solución otorgada por el programa es una combinación de cálculos discretos; los esfuerzos, temperaturas y otras propiedades representan parámetros continuos. Por lo que los resultados son aproximaciones que dependerán del número de elementos utilizados

92

Capítulo 2 Análisis Estático de una Estructura para un Autobús tipo Entrada Baja

 La geometría del objeto a analizar, puede generar errores en la solución, debido a que si el mallado realizado no mantiene ciertos parámetros como: los ángulos de las aristas y las relaciones de tamaño en las aristas; el método puede lo que afecta la convergencia del sistema  La densidad de elementos utilizados se debe ingresar de manera manual. Es decir el usuario debe hacer corridas de ANSYS aumentando consecutivamente la cantidad de elementos utilizados hasta conseguir una convergencia que varíe menos que el criterio de parada utilizado. Esto genera gran costo computacional y de tiempo por parte del usuario  Debido a la utilización de un rango discreto, se debe aumentar la cantidad de puntos en el mallado del objeto; en los puntos en que el gradiente de la propiedad analizada sea muy grande para obtener resultados más precisos  El tipo de elemento, así como algunas propiedades son ingresadas de forma manual por el usuario lo cual genera errores de tipo humano, en ocasiones el programa no muestra una alerta sobre los rangos normalmente utilizados

93

CAPÍTULO

3

CONSIDERACIONES ESTÁTICAS, MECÁNICAS Y SELECCIÓN DE MATERIALES

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

3.1 CONCEPTOS QUE SE ANALIZAN PARA EL PROCESO DE ENSAMBLADO DE UN AUTOBÚS 3.1.1 Preparación del Chasis 3.1.2 Distribución de Cargas 3.2 MATERIALES UTILIZADOS EN EL PROCESO DE ENSAMBLADO DEL AUTOBÚS 3.3 DISTRIBUCIÓN DE CARGAS DEL AUTOBÚS 3.4 SIMULACIÓN NUMÉRICA

95

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

Una de las tareas fundamentales del ingeniero consiste en el diseño, esto es, la aplicación de teorías y normas que permitan la predicción cuantitativa del comportamiento de un sistema mecánico para proceder a su construcción.

Por lo que partiendo de la necesidad que el transporte de pasajeros tiene para alcanzar un mayor nivel de seguridad en las unidades, el ingeniero hará uso del Método del Elemento Finito, el cual es una herramienta que requiere para efectuar el análisis de la estructura, ya que ayudará a conocer el estado actual de los vehículos, estableciendo los puntos donde se tienen concentración de esfuerzos y su comportamiento ante elementos externos, condiciones de fatiga, de uso continuo como frenado, arranque o viraje.

96

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

3.1 CONCEPTOS QUE SE ANALIZAN PARA EL PROCESO DE ENSAMBLADO DE UN AUTOBÚS

3.1.1 Preparación del Chasis

El chasis fue desarrollado para el transporte de pasajeros en cortas y medianas distancias

(Figura 54),

incorporando todas las ventajas de la tecnología y con

la garantía de ser un vehículo de alta durabilidad, propicio para las más severas condiciones de operación y aplicación; presenta importantes atributos, tales como: calidad y bajo costo operativo, superando todas las expectativas.

Figura 54 Chasis original

Para dar inicio al proceso, previamente se llevó a cabo el dimensionamiento del chasis

(Figura 55),

determinándose que es viable realizar un alargamiento en la

parte central, es decir en la distancia entre ejes.

97

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

Figura 55 Dimensiones originales del chasis

El motor proporciona un óptimo desempeño y bajo consumo de combustible, igualmente cumple con las normas de emisión EURO V, además está preparado para atender las futuras exigencias de emisiones.

La propuesta para llevar a cabo el alargamiento consiste en realizar una modificación en la distancia entre ejes de 2,325.26 mm; es decir la dimensión original de la distancia entre ejes cambiará de 3,599.74 mm a 5,925 mm.

Dicha

modificación

se

realizó

de

acuerdo

a

las

recomendaciones

proporcionadas por el fabricante y a los parámetros de seguridad establecidos en la normatividad vigente, tanto nacional como internacional, para vehículos de transporte de pasajeros.

En el procedimiento de alargamiento

(Figura 56),

se puede observar que debe

de hacerse un corte transversal al chasis a partir del travesaño ubicado en la parte

98

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

media del mismo; una vez niveladas ambas mitades del chasis, se puede insertar una sección de alargamiento siguiendo una geometría similar a la del chasis original.

Figura 56 Modificaciones sugeridas para el alargamiento del chasis

99

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

3.1.2 Distribución de Cargas

El procedimiento de distribución de cargas permite determinar, en forma simplificada, los efectos de la carga viva en los elementos del piso en una estructura; es saber cómo se reparte el peso a través de una estructura, desde su partes más altas hasta llegar al suelo, lo que ayuda a saber qué tipo de material y que forma debe tener cada lugar para que la estructura sea estable en todas sus partes.

Para analizar una estructura, deben hacerse ciertas idealizaciones sobre cómo están soportados y conectados los elementos entre sí, y posteriormente se especifican las cargas, por medio de las teorías de la mecánica estructura; para que las fuerzas en los elementos y sus desplazamientos pueden encontrarse. Una vez obtenidas las cargas internas de un elemento, el tamaño de este puede determinarse de manera que los criterios de resistencia y deformación se calculen.

Las cargas que actúan sobre las estructuras pueden dividirse en:  Cargas Muertas: Son aquellas que se mantienen constantes en magnitud y fijas en posición durante la vida de la estructura. La mayor parte de la carga muerta es el peso de la estructura. La carga muerta puede calcularse a partir de la configuración de diseño, de las dimensiones de la estructura y de la densidad del material. Las cargas muertas consisten en los pesos de los diversos elementos estructurales y en los pesos de cualquier objeto que estén permanentemente unidos a la estructura. En algunos casos una carga muerta estructural puede estimarse por medo de fórmulas basadas en los pesos y tamaños de estructuras similares, Con experiencia, se puede también estimar la magnitud de esas cargas  Cargas Vivas: Fuerzas gravitacionales que obran en una estructura y que no tienen carácter permanente. Consisten en cargas de ocupación, pueden

100

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

estar total o parcialmente en un sitio o no estar presentes y pueden cambiar de ubicación. Su magnitud y distribución son inciertas en un momento dado, sus máximas intensidades a lo largo de la vida de la estructura no se conocen con precisión.

3.2 MATERIALES UTILIZADOS EN EL PROCESO DE ENSAMBLADO DEL AUTOBÚS:

Se seleccionaron tres perfiles estructurales del catálogo de productos disponibles del proveedor de la empresa, los cuales fueron: 

Perfil cuadrado de 50.8×50.8×3.41 mm



Perfil rectangular de 101.6×50.8×3.8 mm



Perfil tipo C de 96.0×15.0×3.6 mm

(Figura 57) (Figura 58)

(Figura 59)

Las dimensiones de estos perfiles fueron las que se ajustaban a los elementos estructurales empleados en la fabricación del chasis.

Figura 57 Dimensionamiento (mm) del perfil rectangular

101

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

3.41

50.8

76.2 101.6

3.8 50.8

Perfil cuadrado para alargamiento

50.8

Figura 58 Dimensionamiento (mm) del perfil cuadrado

50.8

Perfil rectangular para alargamiento

96.0

15.0 50.8

3.6

Perfil tipo C para alargamiento

50.8

Figura 59 Dimensionamiento (mm) del perfil tipo C

Adicionalmente, se tomaron en consideración las propiedades mecánicas de los perfiles estructurales con los cuales fue fabricado el chasis, indicadas en la DIN EN 10149-2 designación S355MC.

102

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

En base a ello se seleccionó un material ASTM A500 Gr B, cuyas propiedades mecánicas a

la

tracción

se determinaron

siguiendo

las recomendaciones

establecidas en la designación ASTM E8.

Los resultados del comportamiento esfuerzo-deformación convencional se presentan en la

Figura 60

y un sumario de las propiedades mecánicas principales se

muestra en la Tabla III.

Figura 60 Comportamiento esfuerzo-deformación de los materiales

103

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

PROPIEDADES MECÁNICAS Perfil Cuadrado para alargamiento (50.8×50.8×3.41 mm) Rectangular para alargamiento (101.6×50.8×3.8 mm) Rectangular galvanizado para carrocería (76.2×38.1×1.9 mm)

o

σmax (MPa)

ε (%)

E (GPa)

477

521

18.8

205

420

460

20.3

207

360

400

16.0

180

(MPa)

Tabla III Acero de perfiles estructurales para el alargamiento del chasis

A partir de los resultados anteriores obtenidos del ensayo de tracción, puede determinarse que el material suministrado por parte de la empresa, CUMPLE con los requerimientos de Límite de Fluencia y Resistencia Máxima, especificados para un acero grado B, de acuerdo con la designación ASTM A500.

3.3 DISTRIBUCIÓN DE CARGAS DEL AUTOBÚS

Las cargas producidas por los pasajeros fueron cuantificadas en función de la propuesta realizada por la empresa, tomando en consideración las dimensiones finales del chasis modificado, tal como se indica la

Figura 61 y 62.

Es importante

mencionar que no se consideran áreas de carga permanente en las puertas de ascenso y descenso, aunque estas zonas incluyan elementos estructurales.

104

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

Figura 61 Distribución de cargas (111 personas)

Figura 62 Distribución de cargas por secciones

105

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

Los puntos donde se encuentran los soportes de los ejes delantero y trasero, se tomaron como apoyos fijos a través de los cuales se determinaron las reacciones producidas por las cargas. La

Figura 63

presenta la distribución general de cargas y el

diagrama de cuerpo libre.

Figura 63 Distribución general de cargas y diagrama de cuerpo libre

Para simplificar, el tratado analítico, la longitud total de la estructura del autobús se dividió en 12 partes

(Figura 62).

Los resultados de las fuerzas y momentos

de reacción para cada uno de los ejes, se presentan en la

Tabla IV.

106

656

TOTAL 2815 450 490 750 1700 250 7770 (111 PERSONAS 70 Kg) 1180 120 400

-470208 N-m

TOTAL EJE DELANTERO 298699.81 N-m

Reacion ET 78367.998 N;

Reacion ED 49783.302 N; 15925 CARGA TOTAL (Kg) 18600 MANUAL DE LINEAMIENTOS TECNICOS DEL D.F. 18600 Kg MAX PESO BRUTO VEHICULAR PERMITIDO DISPONIBLES CARROCERIA(Kg) 2675 Kg disponibles para carroceria

SUMATORIA DE CARGAS ESTRUCTURA CHASIS ARAÑA TOLVAS SUSP DEL EJE TRASERO MOTOR Y TRANSMISION AIRE ACONDICIONADO PESO VIVO TANQUES GNC RADIADOR TANQUE LLENO

RESUMEN DISTRIBUCION DE CARGAS

TOTAL EJE TRASERO

10 15597.9 1 15597.9 9 8

7

6

5

4

3

2

1

MOMENTO NEGATIVO CARGA (N) PALANCA (m) RESULTADO (N-m) REV 14-01-13

10 9

8 3359.925 1 3359.925

7 9540.225 2 19080.45

6 9540.225 3 28620.675

5 11928.96 4 47715.84

4 6435.36 5 32176.8

3 21150.36 6 126902.16

2 8691.66 7 60841.62

REACCIONES EN EJE TRASERO (ET) 1 MOMENTO POSITIVO 6435.36 CARGA (N) 8.5 PALANCA (m) 54700.56 RESULTADO (N-m)

SUBTOTAL 24583.86

13040

12 SUBTOTAL 373398.03

12 10643.85 9.4235 SUBTOTAL 100302.32 494791.8505

12

1085

2537.3752 Kg POR CADA LLANTA(2)

1997.1457 Kg POR CADA LLANTA(4)

12 11 10643.85 11330.55 3.4235 SUBTOTAL 2 22661.1 36439.2205 74698.22048

11

11 11330.55 8 90644.4

10 15597.9 7 109185.3

9 13464.225 6 80785.35

8 3359.925 5 16799.625

7 9540.225 4 38160.9

6 9540.225 3 28620.675

5 11928.96 2 23857.92

4 6435.36 1 6435.36

3

2

MOMENTO NEGATIVO CARGA (N) PALANCA (m) RESULTADO (N-m)

1

1155

11

1590

10

1372.5

9

342.5

8

972.5

7

972.5

6

1216

5

656

4

2156

3

866

2 8495.46 1 8495.46

REACCIONES EN EJE DELANTERO(ED) 1 MOMENTO POSITIVO 6435.36 CARGA (N) 2.5 PALANCA (m) 16088.4 RESULTADO (N-m)

CARGAS (Kg)

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

107

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

3.4 SIMULACIÓN NUMÉRICA

Una simulación numérica es la representación matemática de un fenómeno físico. Se usan simulaciones numéricas para estudiar procesos físicos, de ingeniería, económicos e incluso biológicos; utilizando análisis computacionales avanzados. Algunos problemas científicos son estudiados mediante el uso de simulaciones numéricas en todos aquellos campos de la naturaleza gobernados por sistemas de ecuaciones no lineales o no reproducibles fácilmente en el laboratorio.

Los resultados de simulación numérica se obtuvieron por medio de un análisis empleando el Método de Elemento Finito, y utilizando el software ANSYS Mechanical APDL (versión 14 académica). El modelo geométrico de la estructura general del autobús, fue realizado a través de puntos clave y líneas, de acuerdo a los datos obtenidos de un levantamiento dimensional y las dimensiones finales requeridas por la empresa (Figura 64).

Figura 64 Trazado por medio de líneas y puntos clave de la estructura del autobús

108

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

El modelo en tres dimensiones se presenta en la Figura 65

. Figura 65 Modelo en tres dimensiones de la estructura del autobús

El modelo tridimensional fue mallado o discretizado (Figura 66),

por medio de nodos y elementos finitos tipo viga (BEAM188), con 6° de libertad (rotación y traslación sobre los ejes x, y y z) Figura 66 Mallado del modelo del autobús por medio de nodos y elementos finitos

109

Capítulo 3 Consideraciones Estáticas, Mecánicas y Selección de Materiales

Los elementos se mallaron tomando en consideración las secciones transversales del chasis y las correspondientes al alargamiento

(Figuras 57, 58 y 59);

se

emplearon un total de 1487 nodos y 1810 elementos. Este tipo de elemento permite obtener la solución nodal de desplazamientos y los valores elementales de esfuerzos, deformaciones y fuerzas axiales en componentes estructurales.

La simulación de la estructura en condiciones estáticas y lineales se llevó a cabo por medio de la aplicación de cargas vivas

(Figuras 61, 62 y 63)

y el peso bruto

vehicularl aproximado de la unidad. Las condiciones de borde (restricciones), fueron establecidas en función de la ubicación del eje trasero, eje delantero y sus respectivas conexiones con la estructura.

En este caso, se consideró que dichas conexiones son rígidas y no permiten desplazamientos en ninguna de las tres direcciones. La

Figura 67,

presenta la

ubicación de la aplicación de cargas y restricciones.

Figura 67 Cargas y restricciones aplicadas a la estructura del autobús

110

CAPÍTULO

RESULTADOS

4

Capítulo 4 Resultados

4. 1 C AR G A N O RM AL DE O P ER AC I Ó N 4. 1. 1 D es p l a zam i e nt os 4. 1. 2 Fu er za s y e s f ue r zo s ax ia l es 4 .1 .3 Es f u er zos d e f lex i ó n 4. 2 AN ÁL I S I S E ST ÁT ICO A 2 .5 V EC E S L A C AR G A NO RM AL D E O P E R AC IÓ N. 4. 2. 1 D es p l a zam i e nt os 4. 2. 2 Es f uer zo s d e f le x i ón y d ef orm ac i ón

112

Capítulo 4 Resultados

Los análisis de la estructura de tipo analítico y numérico implican tener resultados en un corto periodo de tiempo y con el menor número de errores, por lo que el uso de la computadora para manipular los diferentes programas de simulación como una herramienta de análisis de estructuras, permiten cubrir la premura con que se deben entregar los resultados. Apoyados en el software de simulación ANSYS, se puede analizar la estructura del vehículo en condiciones estáticas y lineales, asegurando que éstos tengan un desempeño superior y una alta eficiencia.

Completando lo anterior al trabajo en equipo con personal especializado y capacitado de las distintas áreas de la empresa, y con el apoyo de equipos de alta tecnología, se

logrará establecer un proceso de

ensamblado de autobuses que optimice la producción de vehículos, para obtener productos de calidad y accesibles, que den como resultado la satisfacción del consumidor final.

113

Capítulo 4 Resultados

4.1 SIMULACIÓN NUMÉRICA

Los resultados obtenidos por medio de la simulación numérica son:  Desplazamientos en las direcciones x, y, z  Representación de su vector suma  Valores de las fuerzas y esfuerzos axiales  Deformaciones elásticas

Estos resultados son presentados en dos apartados:  Considerando condiciones de uso con cargas normales 

Empleando una magnitud de carga normal aumenta 2.5 veces (Manual de Lineamientos Técnicos para Autobuses Piso Bajo y Entrada Baja para Prestar el Servicio de Transporte Público Colectivo de Pasajeros en el Distrito Federal)

4.1.1 Carga Normal de Operación

Se deben considerar condiciones de uso con cargas normales de operación, obteniendo resultados en:  Desplazamientos  Fuerzas y Esfuerzos Axiales  Esfuerzos de Flexión

4.1.1.1 Desplazamientos

Se presenta la distribución de los desplazamientos en x, y y z para la estructura del autobús

(Figuras 68, 69 y 70),

se puede observar que los desplazamientos

máximos se obtienen en la dirección axial a la aplicación principal de las cargas (dirección y).

114

Capítulo 4 Resultados

Figura 68 Desplazamientos (unidades en m) nodales en dirección x

115

Capítulo 4 Resultados

Figura 69 Desplazamientos (unidades en m) nodales en dirección y

116

Capítulo 4 Resultados

Figura 70 Desplazamientos (unidades en m) nodales en dirección z

117

Capítulo 4 Resultados

La máxima deflexión (~4.7 mm) se ubica en la zona correspondiente al alargamiento (nodo 1141), tal como se muestra en la suma vectorial de desplazamientos (Figura 71)

Figura 71 Suma vectorial de los desplazamientos (m) nodales

118

Capítulo 4 Resultados

4.1.1.2 Fuerzas y Esfuerzos Axiales Con el objetivo de determinar las condiciones de operación (tracción o compresión) de los elementos que componen a la estructura del autobús, se obtuvieron las fuerzas axiales de cada uno de los componentes, en la

Figura 72

se

muestra la distribución general de estas fuerzas. Debe notarse que los elementos más comprometidos desde el punto de vista de cargas axiales, se encuentran justo por encima del eje trasero.

Figura 72 Fuerzas axiales (unidades en N)

119

Capítulo 4 Resultados

Estas cargas generan los esfuerzos

(Figura 73),

a partir de la cual se nota que el

esfuerzo de tracción máximo es aproximadamente 21 MPa, valor que se encuentra dentro de un rango de operación seguro, considerando las propiedades mecánicas a la tracción del acero que será empleado en la fabricación de la carrocería del autobús (Figura 60 y Tabla III).

Figura 73 Esfuerzos axiales (unidades en Pa)

120

Capítulo 4 Resultados

4.1.1.3 Esfuerzos de Flexión

Debido a que la mayoría de los componentes estructurales funcionarán en forma de viga, se determinaron los esfuerzos flexionantes positivos y negativos (tracción y compresión) en la dirección vertical para cada uno de los elementos de la estructura. La distribución de los esfuerzos de flexión se presenta en la donde se muestra

Figura 74,

que los esfuerzos máximos se ubican en la zona de mayor

desplazamiento, es decir en la porción central del alargamiento del chasis, los cuales tiene un rango de -53 a 58 MPa.

Figura 74 Esfuerzos de flexión (unidades en Pa)

121

Capítulo 4 Resultados

Considerando estos resultados y las propiedades mecánicas del acero empleado para el alargamiento

(Figura 60 y Tabla III),

se puede establecer que los

elementos más comprometidos funcionarán de forma segura en flexión pura.

4.1.2 Análisis Estático a 2.5 veces la Carga Normal de Operación

Se analizó la estructura del autobús, considerando que el vehículo es cargado 2.5 veces la carga útil y soportado rígidamente en los puntos de apoyo de la suspensión, de acuerdo a las recomendaciones establecidas en los Lineamientos Técnicos para Autobuses Piso Bajo y Entrada Baja para el Transporte de Pasajeros; señalando en el rubro de Flexión, que los desplazamientos no deberán ser mayores a 0.015 m y las deformaciones deberán ser elásticas.

Para la obtención de resultados se realizaron análisis a partir de:  Desplazamientos  Esfuerzos de Flexión y Deformación

4.1.2.1 Desplazamientos

Los resultados para los desplazamientos, fueron obtenidos considerando la distribución de cargas, tal como se indica en la estructura del autobús,

Figura 67 Cargas y restricciones aplicadas a la

e incrementando la carga útil 2.5 veces. La

Figura 75,

presenta la

distribución vectorial, en donde el máximo desplazamiento se presenta en la región del alargamiento de la estructura

(ver zona de ampliación en la Figura 75),

dicho

desplazamiento es aproximadamente 12 mm, el cual se encuentra por debajo del límite máximo permitido (15 mm).

122

Capítulo 4 Resultados

Figura 75 Suma vectorial de los desplazamientos nodales a una carga excedida 2.5 veces (unidades en metros)

123

Capítulo 4 Resultados

4.1.2.2 Esfuerzos de Flexión y Deformación

Los esfuerzos de flexión obtenidos cuando se aplica una carga útil incrementada 2.5 veces se muestran en la

Figura 76;

en donde el esfuerzo máximo de

flexión positivo es alrededor de 149 MPa y el máximo negativo aproximadamente 124 MPa. El nivel de esfuerzos de flexión generados, indica que las condiciones de operación de los elementos flexionados no se verán comprometidas de acuerdo a las propiedades mecánicas de los materiales empleados en la fabricación.

1 ELEMENT SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 ESFFLEX (NOAVG) DMX =.011848 SMN =-.124E+09 SMX =.149E+09

JAN 21 2013 18:34:20

MN MX

Y X

-.124E+09

-.932E+08

-.629E+08

-.326E+08

-.227E+07

.280E+08

.584E+08

.887E+08

Z

.119E+09

.149E+09

Figura 76 Esfuerzos de flexión generados a una carga útil incrementada 2.5 veces, unidades en Pa

124

Capítulo 4 Resultados

Adicionalmente, la

Figura 77

indica que el nivel de deformaciones en los

elementos de la estructura se encuentra dentro del rango elástico recomendado.

1 ELEMENT SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 DEFELAS (NOAVG) DMX =.011848 SMN =-.930E-04 SMX =.125E-03

JAN 21 2013 18:34:38

MN MX

Y X

-.930E-04

-.687E-04

-.445E-04

-.203E-04

.399E-05

.282E-04

.525E-04

.767E-04

Z

.101E-03

.125E-03

Figura 77 Deformaciones elásticas a una carga útil incrementada 2.5 veces

125

CONCLUSIÓN Para lograr el objetivo propuesto por una empresa mexicana, de desarrollar un Prototipo de Autobús de Entrada Baja e implementarlo en el mercado mexicano, con el propósito de contar con un vehículo eficiente, económicamente accesible y que cumpla con los parámetros de seguridad, confort y ambientales establecidos en los Lineamientos Técnicos para el Transporte Público de Pasajeros en la Ciudad de México, se tomó la decisión de modificar las condiciones iniciales de un chasis corto (9 m) para adecuarlas a las dimensiones requeridas para ese tipo de vehículo.

En los resultados obtenidos del análisis estático de una estructura de Autobús de Entrada Baja o Piso Bajo realizado por medio de simulación numérica empleando el Método del Elemento Finito, se observa que los componentes estructurales correspondientes al alargamiento de la estructura del chasis y carrocería, tendrán un desempeño mecánico aceptable.

La herramienta virtual utilizada para la determinación de las posibles fallas en las zonas críticas da como resultado un Factor de Seguridad aproximado de 4; sin embargo, es recomendable llevar a cabo las pruebas físicas correspondientes a: análisis de fatiga de los materiales, corrosión, flexión, torsión, vibraciones para la validación de los resultados obtenidos.

En el procedimiento para el desarrollo del proyecto se consideró lo siguiente: pasos:  La dimensiones del chasis, considerando una distancia entre ejes de 5925 mm  La distribución de cargas producidas por los pasajeros (carga viva). La carga viva se determinó tomando en cuenta la distribución de las personas sentadas así como la cantidad de personas de pie, utilizando la metodología propuesta por la Unión Internacional

de Transporte Público (UITP), que

Conclusiones

establece la cantidad de pasajeros en un área de un m 2; dando como resultado un total de 111 personas (~76,300 N).  Componentes estructurales  Equipo

de

aire acondicionado y

tanques de gas

ubicados en la parte

superior de la carrocería (~14,000 N).

En función de las cargas antes mencionadas, se determinaron las fuerzas de reacciones en los apoyos (eje trasero y delantero), desplazamientos en las direcciones x, y, z, deformaciones elásticas, fuerzas axiales y esfuerzos flexionantes.

Se encontró que los desplazamientos máximos se ubican en la zona de alargamiento del chasis, los cuales son:  Para la aplicación de una carga normal de operación: Menores a 5 mm  Para cuando se incrementa 2.5 veces esta carga: Aproximadamente 11 mm

Estos desplazamientos cumplen con los parámetros mínimos de seguridad establecidos en la normatividad vigente.

Adicionalmente, se observó que los esfuerzos flexionantes generados en la sección media del alargamiento, se encuentran en un rango seguro, de acuerdo con las propiedades mecánicas del material empleado.

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