Diseño y simulación de un chasis tubular para un vehículo tipo fórmula

Redondo Martín, Roberto (2017). Diseño y simulación de un chasis tubular para un vehículo tipo fórmula. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Diseño y simulación de un chasis tubular para un vehículo tipo fórmula
Autor/es:
  • Redondo Martín, Roberto
Director/es:
  • Alcalá Fazio, Enrique
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Mecánica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El proyecto comenzó tras ingresar en el equipo UPM Racing de la Universidad Politécnica de Madrid. La necesidad de diseñar un chasis tubular nuevo surgió de la obligatoriedad que tienen los equipos de la Fórmula Student de fabricar un chasis distinto cada año que se compite en el evento de Alemania. Este tipo de chasis se compone de una serie de tubos soldados entre sí cuya misión es soportar conjuntamente todos los esfuerzos a los que se ve sometido el vehículo durante la competición. Los esfuerzos más importantes a los que está sometido un chasis son el peso de los componentes del vehículo y las fuerzas que surgen durante las pruebas dinámicas que son transmitidas desde la suspensión hasta la estructura principal. Hasta el momento el equipo había estado diseñando y fabricando chasis que se parecían mucho con sus respectivos modelos anteriores. Ante el cambio de llantas de 13 pulgadas a 10 fue preciso diseñar nuevas suspensiones que han creado la necesidad de concebir un chasis muy distinto. Esto supone el reto de diseñar y fabricar un chasis casi desde cero que mejore las prestaciones del vehículo. Además, como el objetivo del equipo es diseñar un chasis monocasco de fibra de carbono a medio plazo, se propuso introducir partes estructurales de material compuesto en este diseño, con la misión de realizar un paso progresivo entre los modelos tubular y monocasco, este último mucho más complejo. El proyecto consistirá en recoger todas las restricciones que afectan al diseño de un nuevo chasis y una vez hecho esto, en la fase de diseño, plantear distintas configuraciones posibles para cada parte del mismo. Un chasis puede dividirse en tres partes claramente diferenciadas: parte delantera donde se encuentran las piernas del piloto, parte central donde se encuentra el torso del piloto, y parte trasera donde se encuentra el motor como elemento más destacado. Cada configuración tendrá unas características distintas que afectarán al comportamiento del chasis. Estos aspectos a considerar son la rigidez torsional, el peso, la altura del centro de gravedad y la rigidez a flexión. Cada uno de estos aspectos deberá ser analizado mediante simulación y comparado en unas y otras alternativas. En las primeras fases del proyecto se recogieron las normas más importantes de la FSAE que influyen en el diseño y fabricación de un chasis de tipo tubular. Estas normas son muy importantes, pues de no cumplirlas como se debe, los jueces no dejan competir en la mayoría de las pruebas. Recogidas estas, se procedió a definir otro tipo de restricciones, como es el caso de la nueva suspensión que cambiaba la geometría tanto de la parte trasera como delantera. Posteriormente comenzó la fase diseño. A la hora de diseñar un chasis de tipo tubular, resulta muy interesante construir un skeleton. Este skeleton no es más que un mapa 3D de líneas y puntos que representan las líneas medias y nodos de la estructura. Sobre este inicial esqueleto se conciben los tubos referenciándose entre sí de forma que la labor de diseño resulta ser mucho más sencilla. Para esta fase el software utilizado fue CATIA, programa usado por el equipo UPM Racing y por tanto óptimo también para la realización del proyecto. Dentro de esta fase se incluyó el diseño de otras geometrías además de la inicial. La necesidad de considerar distintas geometrías surge de querer comparar la influencia de variar la posición de tubos y nodos en aspectos antes mencionados como son la rigidez y el peso. Es también en esta parte del proyecto en la que se definió la geometría de los tubos y se calcularon todas las aportaciones de peso comparándose unas alternativas con otras. El diseño de los suelos, sin embargo, necesitó de una mayor investigación y generó mayor incertidumbre. Tras recoger información sobre los paneles de material compuesto y los tipos que se pueden encontrar en el mercado se propuso una geometría óptima para los mismos basada en la modificación de la altura del centro de gravedad del vehículo y se propusieron unos materiales basándose en la experiencia del equipo laminando fibra de carbono y fabricando este tipo de materiales. Además, se propuso una configuración central del chasis sustituyendo parte de sus tubos por este material compuesto, por lo que el skeleton sufrió modificaciones. La fase de diseño terminó una vez se habían definido todos los materiales que se incluirían en la fase de simulación. A continuación, dio comienzo la segunda fase. Dicha fase consistió en la simulación y el estudio de todas las alternativas planteadas durante el diseño. Para ello se empleó el programa de análisis por elementos finitos ANSYS. Se plantearon unos casos ideales de rigideces torsionales y a flexión en vigas de sección constante y se realizó analogías entre estas y las obtenidas para las distintas alternativas de chasis. Para ello se tabularon y graficaron los valores de los desplazamientos obtenidos en secciones clave. Estos valores de desplazamiento se emplearon para calcular el ángulo de giro de cada sección necesario para obtener la rigidez a torsión o bien se utilizaron directamente para la rigidez a flexión. Además, se planteó un estudio de la posible influencia de retrasar la barra encargada de albergar los anclajes de los cinturones de seguridad en dichas rigideces. Lo último que se realizó antes de decidir el modelo provisional de chasis fue comprobar en un análisis que los paneles laterales de material compuesto previamente definidos podían ser incluidos atendiendo a razones de normativa. Una vez realizado se procedió a, en función de las tablas y gráficas, escoger las configuraciones delantera, trasera y central óptimas del vehículo. Como hasta ahora los chasis se habían ido construyendo conforme a la norma general no había sido preciso analizar casos de carga en base a criterios de fallo, pues en ella se asume que dichos materiales están dimensionados de tal forma que no pueda llegar a producirse. Al incluir en el modelo material compuesto estructural, se hizo preciso incurrir en el método alternativo de diseño. Este método contempla la opción de diseñar con muchas menos restricciones siempre y cuando se cumplan una serie de requisitos en cuanto a tensiones y deformaciones. Era la primera vez que en el equipo se diseñaba un modelo de chasis que necesitase cumplir estos requisitos de tensión y deformación Puesto que ya se tenía el mejor chasis posible de entre todas las alternativas planteadas pero la incorporación de paneles de material compuesto en una zona crítica del vehículo implicaba cumplir con los requisitos alternativos, el siguiente paso de la fase de simulación consistió en analizar los casos de carga necesarios. Introduciendo un modelo de tensión-deformación no lineal y basándose en los criterios de fallo de von Mises para materiales isótropos, de Tsai-Wu para materiales ortótropos y en unas deflexiones máximas contempladas por la norma se estudió caso por caso comprobando que no se superaba la tensión de rotura del material ni dichas deflexiones. Fue preciso en alguno de los casos incrementar la sección de tubo para que así fuese. En este momento se obtuvo el modelo de chasis final del que se calcularon su peso y rigidez final para más tarde terminarse en el archivo de CAD usando para ello el skeleton con las configuraciones resultantes de la fase de simulación. Como no se pudo llevar a cabo la tarea de fabricación (muy importante en un proyecto de carácter industrial) se trató de describir una serie de tareas, buenas prácticas y recomendaciones que sirvieran de hoja de ruta de cara a la futura construcción del chasis. Al final de todo este proceso se había conseguido un diseño de chasis totalmente novedoso, con mejores características que los anteriores y que, además, tras unos pequeños cambios en la sección de algún tubo, cumplía con todas las especificaciones de la norma alternativa. Por tanto, el proyecto había sido un éxito.

Más información

ID de Registro: 45306
Identificador DC: http://oa.upm.es/45306/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:45306
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 27 Mar 2017 06:55
Ultima Modificación: 27 Mar 2017 06:55
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