INFORME ANLISIS DEL FORMULA SENA ECO DE LA ESCUDERA CIMM REACING TEAM

Como prioridad se tiene que realizar un exhaustivo estudio del reglamento establecido, para no desarrollar parmetros de diseo fuera de los ya estipulados en ste. En el proceso tambin se cuenta con el apoyo de la comisin reglamentaria y la empresa C2R (concep to reality), que son los encargados de verificar que el diseo propuesto de CHASIS no presente inconsistencia con lo establecido en el reglamento del Formula SENA-ECO, lo cual es determinado mediante la comprobacin de coherencia y consistencia de los clculos elaborados por elementos finitos realizados por la escudera de CIMM Racing Team., los cuales son sustentados a continuacin: ELEMENTOS DE SEGURIDAD EN LA JAULA ANTIVUELCO Al tener en cuenta que la configuracin y diseo del chasis presenta ciertas restricciones en la jaula de seguridad, siendo una de estas el lograr permitir que un hombre de percentil 95 pueda ingresar en el habitculo, se procede a mencionar los elementos de la jaula.

Imagen 1 Elementos de jaula antivuelco, El diseo fue realizado con el software autodesk inventor 2013 licencia SENAB

CADEFGH

Tabla 1 Jaula antivuelco formato ipt, El diseo fue importado al software autodesk simulation mechanical 2015 licencia acadmicaLETRANOMBRE DEL ELEMENTO

AAro delantero

BAro trasero

CRiostre aro trasero

DRiostre aro delantero

EMiembro lateral superior (Desde B hasta H, interrumpido por A)

FMiembro lateral intermedio

GMiembro lateral inferior (Desde B hasta H, interrumpido por A)

HEstructura frontal

ANALISIS POR ELEMENTOS FINITOS Segn lo establecido en el reglamento formula SENA ECO 2015 en el captulo 7 seccin 7.3 la jaula antivuelco tiene como objetivo proteger al piloto en caso de volcadura, impacto con una barrera de seguridad u otro vehculo. Debe ser diseada para resistir fuerzas de 5 gravedades en todas direcciones[footnoteRef:1]. Se requiri el apoyo y manejo del software Autodesk Simulation Mechanical., especializado en anlisis de elementos finitos, el cual permiti realizar la serie de estudios y clculos pertinentes, seguidamente descritos: [1: Reglamento tcnico 2015, pg 10]

PRE PROCESOSe verifica la calidad de la geometra del Diseo CAD 3D, analizando adems los posibles problemas que se pueden generar para poder realizar un mallado, defectologia y errores que vienen del modelo 3D. El principal inconveniente que se present fue que al tener un ensamble de detalle tan extenso, ocasionara que la geometra se volviera muy pesada, lo cual genera que el desarrollo se vuelva demasiado lento e incontrolable. Como alternativa de solucin se procede a convertir el ensamble (iam) en pieza (ipt), obteniendo beneficios en cuanto a que los procesos no son demorados, se conservan los detalles de geometra y logrando hacer el modelo 3D ms liviano, ver imagen 2.Imagen 2 Jaula antivuelco formato ipt, El diseo fue importado al software autodesk simulation mechanical 2015 licencia acadmica

PROCESO Segn lo planteado por la comisin reglamentaria del formula SENA ECO 2015, se deben realizar 7 casos posibles de carga teniendo en cuenta los parmetros del reglamento seccin 7.6 El uso del material se restringe a un acero entre el siguiente rango: AISI SAE 1008-1020 (En este rango se encuentra la tubera comnmente conocida como tubera estructural, tubera de mueble, entre otras). Dentro del proceso se realiza la malla 2D (Ver imagen 3 Malla 2D jaula antivuelco del vehculo formula SENA ECO 2015), en la superficie de la geometra con un tamao de 8 mm cada elemento como se puede apreciar en la Tabla 2 caractersticas 2D de la Malla superficial, a partir de estos elementos se genera la malla slida que da el grosor de la tubera dando como resultado la Tabla 3 caractersticas 3D de malla Slida.Imagen 3 Malla 2D jaula antivuelco del vehculo formula SENA ECO 2015

Tabla 2 caractersticas 2D de la Malla superficial

Tabla 3 caractersticas 3D de malla Slida

Impacto FrontalSegn la Imagen 4. Chasis escudera Tolima, que fue tomada como ejemplo para este ao, lamentablemente no podemos hacer lo mismo puesto que las fuerzas solo son aplicadas en los nodos del chasis, tambin los elementos de malla son totalmente diferentes a los elementos 2D (imagen 3 Malla 2D jaula antivuelco del vehculo formula SENA ECO 2015) que se van a manejar en el chasis. Si miramos los resultados que entregan este tipo de mallas son diferentes a los que se establecen segn los procedimientos de clculo para determinar la fuerza a la que ser sometida la geometra, esto tambin se aplica a los dems casos.Imagen 4 Chasis escudera Tolima 15/8/2015, Pedro Julin Navarro Giraldo

Procedemos a establecer las fuerzas (Imagen 5 condiciones de frontera impacto delantero), para determinar la carga mxima se procede a tomar el valor total de la masa del vehculo, se realizaron los clculos de la siguiente forma:

Sabemos que F = m * a entonces

Para este caso se debe tener en cuenta la cantidad de elementos seleccionados de la parte frontal del vehculo, 7 elementos, se puede determinar una carga recibida por un impacto frontal para cada uno de los de los elementos del chasis, as: Con direccin en X positivoImagen 5 condiciones de frontera impacto delantero

4203 N/ElementoFijaciones

Impacto traseroSegn la Imagen 6. Chasis escudera Tolima, se puede tomar como evidencia de que las cargas que se aplican son en la misma direccin solo que por el tipo de elemento de malla no se puede aplicar de la misma forma imagen 7. Condiciones de frontera impacto trasero.

Imagen 6 Chasis escudera Tolima 15/8/2015, Pedro Julin Navarro GiraldoI

Procedemos a establecer las fuerzas Imagen 7 condiciones de frontera impacto trasero, para determinar la carga mxima se procede a tomar el valor total de la masa del vehculo, se realizaron los clculos de la siguiente forma:

Sabemos que F = m * a entonces

Para este caso se debe tener en cuenta la cantidad de elementos seleccionados de la parte frontal del vehculo, 4 elementos, se puede determinar una carga recibida por un impacto frontal para cada uno de los de los elementos del chasis, as: Con direccin en X negativo

Imagen 7 Condiciones de frontera impacto trasero Fijaciones-15.2 N/mm

Impacto Superior en ArosSegn la Imagen 8. Chasis escudera Tolima, se puede tomar como evidencia de que las cargas que se aplican en el aro delantero y el aro trasero son en la misma direccin a las que se aplica en la imagen 9. Condiciones de frontera impacto superior en aros delantero y trasero. Solo que por el tipo de elemento de malla no se puede aplicar de la misma formaImagen 8 Chasis escudera Tolima 15/8/2015, Pedro Julin Navarro Giraldo

Procedemos a establecer las fuerzas imagen 9. Condiciones de frontera impacto superior en aros delantero y trasero, para determinar la carga mxima se procede a tomar el valor total de la masa del vehculo incluyendo la del conductor masa 600 Kg se realizaron los clculos de la siguiente forma: Sabemos que F = m * a entonces

Para este caso se debe tener en cuenta la cantidad de elementos seleccionados de la parte frontal del vehculo, 4 elementos, se puede determinar una carga recibida por un impacto frontal para cada uno de los de los elementos del chasis, as: Con direccin en Z negativoImagen 9 Condiciones de frontera impacto superior en aros delantero y trasero -7357.5 N/ElementoFijaciones

Impacto Frontal en ArosSegn la Imagen 10. Chasis escudera Tolima, se puede tomar como evidencia de que las cargas frontales que se aplican en el aro delantero y el aro trasero son en la misma direccin a las que se aplica en la imagen 11. Condiciones de frontera impacto frontal en aros delantero y trasero. Solo que por el tipo de elemento de malla no se puede aplicar de la misma forma Imagen 10 Chasis escudera Tolima 15/8/2015, Pedro Julin Navarro Giraldo

Procedemos a establecer las fuerzas para determinar que la carga es la misma que en el caso anterior solo que no es en la misma direccin, en este caso es en X positivo., como se ilustra en la imagen 11. Condiciones de frontera impacto frontal en aros delantero y trasero, Con direccin en X positivo

Imagen 11 Condiciones de frontera impacto Frontal en aros delantero y trasero 7357 N/ElementoFijaciones

Impacto lateral en ArosSegn la Imagen 12. Chasis escudera Tolima, se puede tomar como evidencia de que las cargas lateral que se aplican en el aro delantero y el aro trasero son en la misma direccin a las que se aplica en la imagen 13. Condiciones de frontera impacto lateral en aros delantero y trasero., solo que por el tipo de elemento de malla no se puede aplicar el mismo mtodo de fuerza.Imagen 12 Chasis escudera Tolima 15/8/2015, Pedro Julin Navarro Giraldo

Procedemos a establecer las fuerzas para determinar que la carga es la misma que en el caso anterior solo que no es en la misma direccin, en este caso es en Y negativo. Imagen 13. Condiciones de frontera impacto lateral en aros delantero y trasero, Con direccin en Y negativoImagen 13 Condiciones de frontera impacto Lateral en aros delantero y trasero 7357.5 N/ElementoFijaciones

Impacto lateralSegn la Imagen 14. Chasis escudera Tolima, se puede tomar como evidencia de que las cargas laterales que se aplican en el aro delantero y el aro trasero son en la misma direccin a las que se aplica en la imagen 15. Condiciones de frontera impacto lateral en aros delantero y trasero. Solo que por el tipo de elemento de malla no se puede aplicar el mismo mtodo de clculo.

Imagen 14 Chasis escudera Tolima 15/8/2015, Pedro Julin Navarro Giraldo

Procedemos a establecer las fuerzas imagen 15. Condiciones de frontera impacto lateral, para determinar la carga es la misma que en el caso anterior solo que no es en la misma direccin en este caso es en Y positivo y su magnitud si es diferente. Con direccin en Y positivoImagen 15 Condiciones de frontera impacto Lateral 9810 N/ElementoFijaciones

Rigidez TorsionalDe acuerdo a la Imagen 16. Chasis escudera Tolima comisin reglamentaria se debe presentar un torque 4000 N.m en los anclajes de las tijeras frontales y como restriccin el desplazamiento debe ser inferior al 1, entonces se comparten los siguientes condiciones de fronteraImagen 16 Chasis escudera Tolima 15/8/2015, Pedro Julin Navarro Giraldo

El torque aplicado se puede ver en la imagen 17. Condiciones de frontera Rigidez torsional, para este caso no hay necesidad de determinar el torque pues ya nos entregan la magnitud de esta. Imagen 17 Condiciones de frontera rigidez torsional.4000 NmFijaciones

POST PROCESO Se dan a conocer los resultados de desplazamiento, tensin de Von Mises es un escalar proporcional a la energa de deformacin elstica de distorsin que puede expresarse en funcin de las componentes del tensor tensin, en particular admite una expresin simple en funcin de las tensiones principales, por lo que la tensin de Von Mises puede calcularse a partir de la expresin de la energa de deformacin distorsiva. Igualmente la superficie de fluencia de un material que falla de acuerdo con la teora de fallo elstico de Von Mises puede escribirse como el lugar geomtrico de los puntos donde la tensin de Von Mises como funcin de las tensiones principales supera cierto valor. Matemticamente esta ecuacin puede expresarse an como el conjunto de puntos donde el invariante cuadrtico de la parte desviadora del tensor tensin supera cierto valor[footnoteRef:2].los valores que se presentan como resultados del clculo de esfuerzo de Von Mises son comparados con el esfuerzo mnimo a la fluencia del material que es presentado como anexo en la ficha tcnica del material y de magnitud 3241 Kg/cm (4600 Psi o 318 MPa). [2: https://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_de_Von_Mises]

Factor de seguridad es el cociente entre el valor calculado de la capacidad mxima de un sistema y el valor del requerimiento esperado real a que se ver sometido. Por este motivo es un nmero mayor que uno, que indica la capacidad en exceso que tiene el sistema por sobre sus requerimientos.[footnoteRef:3] Dicho factor entre ms lejos del cero ms eficiente es la pieza segn los parmetros de clculo del programa. [3: https://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_seguridad]

Impacto frontalSegn los resultados imgenes 18, 19, 20 calculados por elementos finitos del programa da que el desplazamiento mximo en la estructura frontal con 5 gravedades que equivalen a una magnitud de 29430 N es de 4.325 mm y esfuerzo de Von Mises de 157.18 MPa y un factor de seguridad muy por encima del uno segn los parmetros de diseo del programa.Imagen 18 Resultados de Desplazamiento Impacto frontal

Imagen 19 Resultado de Von Mises Impacto frontal

Imagen 20 Resultado de Factor de seguridad

Impacto traseroSegn los resultados imgenes 21, 22, 23 calculados por elementos finitos del programa da que el desplazamiento mximo en la estructura frontal con 5 gravedades que equivalen a una magnitud de 29430 N es de 0.9622 mm y esfuerzo de Von Mises de 192.1393 MPa y un factor de seguridad muy por encima del uno segn los parmetros de diseo del programa.Imagen 21 Resultados de Desplazamiento Impacto Trasero Imagen 22 Resultado de Von Mises Impacto Trasero

Imagen 23 Resultado de Factor de seguridad Impacto trasero

Impacto Superior en ArosSegn los resultados imgenes 24, 25, 26 calculados por elementos finitos del programa da que el desplazamiento mximo en la estructura frontal con 5 gravedades que equivalen a una magnitud de 29430 N es de 0.8748 mm y esfuerzo de Von Mises de 99.98 MPa y un factor de seguridad muy por encima del uno segn los parmetros de diseo del programa.Imagen 24 Resultados de Desplazamiento Impacto superior en Aros Imagen 25 Resultado de Von Mises Impacto Superior en Aros Imagen 26 Resultado factor de Seguridad Impacto Superior en Aros Impacto Frontal en ArosSegn los resultados imgenes 27, 28, 29 calculados por elementos finitos del programa da que el desplazamiento mximo en la estructura frontal con 5 gravedades que equivalen a una magnitud de 29430 N es de 0.6317 mm y esfuerzo de Von Mises de 59.58 MPa y un factor de seguridad muy por encima del uno segn los parmetros de diseo del programa.Imagen 27 Resultados de Desplazamiento Impacto Frontal en Aros Imagen 28 Resultado de Von Mises Impacto Frontal en Aros Imagen 29 Resultado factor de Seguridad Impacto Frontal en Aros Impacto lateral en ArosSegn los resultados imgenes 30, 31, 32 calculados por elementos finitos del programa da que el desplazamiento mximo en la estructura frontal con 5 gravedades que equivalen a una magnitud de 29430 N es de 3.97 mm y esfuerzo de Von Mises de 259.1 MPa y un factor de seguridad muy por encima del uno segn los parmetros de diseo del programa.Imagen 30 Resultados de Desplazamiento Impacto Lateral en Aros Imagen 31 Resultado de Von Mises Impacto Lateral en Aros Imagen 32 Resultado factor de Seguridad Impacto Lateral en Aros Impacto lateral Segn los resultados imgenes 33, 34, 35 calculados por elementos finitos del programa da que el desplazamiento mximo en la estructura frontal con 5 gravedades que equivalen a una magnitud de 29430 N es de 3.06 mm y esfuerzo de Von Mises de 188.2 MPa y un factor de seguridad muy por encima del uno segn los parmetros de diseo del programa.Imagen 33 Resultados de Desplazamiento Impacto Lateral Imagen 34 Resultado de Von Mises Impacto Lateral Imagen 35 Resultado factor de Seguridad Impacto Lateral Rigidez TorsionalSegn los resultados imgenes 336, 37, 38 calculados por elementos finitos del programa da que el desplazamiento mximo en la estructura frontal con 5 gravedades que equivalen a una magnitud de 29430 N es de 0.02 mm y esfuerzo de Von Mises de 1.23 MPa y un factor de seguridad muy por encima del uno segn los parmetros de diseo del programaImagen 36 Resultados de Desplazamiento Rigidez Torsional Imagen 37 Resultados de Von Mises Rigidez Torsional Imagen 38 Resultados de Factor de seguridad Rigidez Torsional

ANEXOS FICHA TCNICA DEL MATERIAL

Ing. Luis Carlos PintoInstructor CIMM