análisis estructural de un autobús de piso bajo continuo tesis

109 Pages·2013·4.51 MB·Spanish

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

CENTRO DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN
TECNOLÓGICA

ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE UN
AUTOBÚS DE PISO BAJO CONTINUO

TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRÍA EN TECNOLOGÍA AVANZADA

PRESENTA

ING. Manuel Alejandro González García

DIRECTOR DE TESIS

M. en C. Vicente Mayagoitia Barragán
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Agradecimientos

A mis padres. Dagoberto González Aguilar y María Antonia García Pacheco
Por todo el amor y el apoyo brindado a lo largo de mi vida muchas gracias.
A mi hermano. David González García.
Por siempre estar a mí lado y brindarme tu amor y apoyo.
A mi Novia. Laura Orozco Carrasquel.
Por su amor y comprensión.
A mis asesores: M. en C. Vicente Mayagoitia Barragán.
A quien admiro y respeto, gracias por su tiempo, apoyo y conocimientos brindados a lo largo de mi
carrera.
Al M. en C. Leonardo López Marques y la Lic. Dora Elena Chacón.
A quienes aprecio y respeto, y con quienes estoy muy agradecido por todo el apoyo brindado.
A mi honorable comité tutorial.
Dr. Ricardo Rafael Ambriz Rojas, Dr. Ricardo Cuenca Álvarez, Dr. Sebastián Díaz de la Torre y
M. en C. José Luis Mora Rodríguez
Por guiarme en la realización de mi trabajo de tesis.
Familiares
Gracias por apoyarme siempre y estar al pendiente de mí.
Amigos.
Norma, Giovanni, Gerardo, Juan Pablo, Humberto y David.
Muchas gracias por su amistad incondicional.

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IPN – CIITEC
Muchas gracias por brindarme la oportunidad de realizar mis estudios de posgrado en sus instalaciones.
Gracias por proporcionarme un espacio digno de trabajo y las herramientas necesarias para culminar
con mi Maestría en Tecnología Avanzada.
CONACYT
Gracias por la beca otorgada, ya que por medio de dicho estimulo tuve la oportunidad de enriquecer mi
formación profesional y como persona.
De ante mano muchas gracias a todos aquellos que me acompañaron a lo largo de esta difícil pero
hermosa aventura llamada posgrado. Sin su apoyo, conocimientos, consejo esto no hubiese sido
posible. Muchas Gracias.

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Contenido

Lista de Figuras ......................................................................................................................................... 9
Lista de Tablas ........................................................................................................................................ 11
Resumen .................................................................................................................................................. 12
Abstract .................................................................................................................................................. 13
Introducción ............................................................................................................................................ 14
Justificación ............................................................................................................................................ 16
Objetivo ................................................................................................................................................... 16
Objetivos Particulares ............................................................................................................................. 16
Capítulo 1. ............................................................................................................................................... 17
1.1 Resistencia de materiales. ............................................................................................................ 17
1.2 Cargas externas. ............................................................................................................................ 17
1.3 Fuerzas de superficie. .................................................................................................................... 18
1.4 Fuerzas de cuerpo.......................................................................................................................... 18
1.5 Reacciones en los soportes (apoyos). ............................................................................................ 18
1.6 Ecuaciones de equilibrio. .............................................................................................................. 19
1.7 Cargas internas resultantes. ........................................................................................................... 21
1.8 Análisis en tres dimensiones. ........................................................................................................ 22
1.9 Cargas coplanares. ........................................................................................................................ 23
1.10 Factor de seguridad. .................................................................................................................... 23
1.11 Esfuerzo simple ........................................................................................................................... 24
1.12 Esfuerzo cortante ......................................................................................................................... 25
1.13 Definición del momento flexionante ........................................................................................... 26
1.14 Signo del momento flexionante .................................................................................................. 27
1.15 Concentradores de esfuerzos. ...................................................................................................... 27
1.16 Ensayo de tracción. ..................................................................................................................... 29
1.17 Propiedades mecánicas obtenidas del ensayo de tensión. ........................................................... 29

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1.18 Ley de Hooke. ............................................................................................................................. 32
1.19 Relación de Poisson. ................................................................................................................... 32
1.20 Uniones soldadas......................................................................................................................... 33
1.21 Criterio de falla de Von Mises. ................................................................................................... 34
1.22 Representación gráfica del criterio de falla de Von Mises. ....................................................... 35
1.23 Elemento finito. ........................................................................................................................... 37
1.24 Fase de pre-procesamiento. ......................................................................................................... 39
1.25 Discretizar y seleccionar el tipo de elemento finito. .................................................................. 39
1.26 Selección del modelo de aproximación o funciones. .................................................................. 40
1.27 Derivar las ecuaciones para un elemento. .................................................................................. 40
1.28 Ensamblar ecuaciones de todos los elementos. ........................................................................... 40
1.29 Aplicación de condiciones límite y cargas. ................................................................................. 41
1.30 Fase de solución. ......................................................................................................................... 41
1.31 Fase de post-procesamiento. ....................................................................................................... 41
1.32 Vibraciones mecánicas ................................................................................................................ 41
1.33 Importancia del estudio de la vibración ..................................................................................... 41
1.34 Clasificación de la vibración ....................................................................................................... 43
1.35 Vibración libre y forzada ............................................................................................................ 43
1.36 Vibración no amortiguada y amortiguada ................................................................................... 44
1.37 Estado del arte. ............................................................................................................................ 44
Capítulo 2. Metodología de modelado y simulación de la estructura y el semi chasis. .......................... 48
2.1. Caracterización mecánica del material base. ............................................................................... 49
2.1.1. Ensayo de dureza. ................................................................................................................. 49
2.1.2. Ensayo de tensión.................................................................................................................. 51
2.2 Determinación de las principales dimensiones de la estructura del autobús. ............................... 53
2.3 Modelado en ANSYS apdl para la simulación numérica mediante elemento finito. ................... 56
2.4. Determinación de la carga viva. ................................................................................................... 62
2.5 Determinación de la carga muerta. ............................................................................................... 63
2.6 Determinación de los puntos de apoyo. ........................................................................................ 64

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2.7 Simulación de la estructura en ANSYS. ...................................................................................... 65
2.8 Simulación del semi – chasis. ....................................................................................................... 67
2.9 Simulación de la tolva delantera. .............................................................................................. 76
2.10 Cálculo de la suspensión en condiciones estáticas. ..................................................................... 79
Capítulo 3. Análisis y Discusión de Resultados. .................................................................................... 80
3.1. Caracterización mecánica. ........................................................................................................... 80
3.1.1 Ensayo de tensión................................................................................................................... 80
3.2. Resultados de la simulación numérica por elemento finito. ........................................................ 82
3.3 Desplazamientos vector suma. ...................................................................................................... 82
3.4 Fuerzas axiales. ............................................................................................................................. 83
3.5 Esfuerzos flexionantes. ................................................................................................................. 85
3.6 Análisis modal (vibraciones libres)............................................................................................... 86
3.7 Análisis de la estructura del autobús de piso bajo continuo bajo condición de carga de 2.5 veces
la carga viva. ....................................................................................................................................... 88
3.8 Desplazamientos bajo una condición de 2.5 veces la carga viva. ................................................. 88
3.9 Esfuerzos flexionantes con un aumento de 2.5 veces la carga viva. ............................................. 89
3.10 Resultados de las simulaciones del semi – chasis. ...................................................................... 91
3.10 Resultados de las simulaciones de la tolva delantera incluyendo elementos de sujeción con el
eje delantero. ..................................................................................................................................... 100
3.11 Cálculo de la suspensión en condiciones estáticas. ................................................................... 103
3.12 Validación de resultados de ANSYS. ....................................................................................... 104
Conclusiones. ........................................................................................................................................ 106
Recomendaciones.............................................................................................................................. 107
Bibliografía ........................................................................................................................................... 108

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Lista de Figuras
Figura 1. Esquema de un autobús de piso bajo. ...................................................................................... 14
Figura 2. Representación de las cargas externas que actúan sobre un cuerpo [4]. ................................. 17
Figura 3. Soportes y apoyos. [4]. ............................................................................................................ 19
Figura 4. Cargas resultantes internas. [4] ................................................................................................ 21
Figura 5. Análisis en tres dimensiones. [4]. ............................................................................................ 22
Figura 6. Cargas coplanares [4]. ............................................................................................................ 23
Figura 7. a) Componentes normal y cortantes sobre una sección arbitraria a – a, b) cuando la sección de
exploración b – b es perpendicular a la resultante R de las fuerzas aplicadas, sólo se producen fuerzas
normales. [5]. .......................................................................................................................................... 25
Figura 8. Curvaturas correspondientes al signo del momento flexionante. [5]. ..................................... 27
Figura 9. Concentrador de esfuerzos en una placa sometida a tensión. [5]. ........................................... 28
Figura 10. Uniones soldadas [5]. ............................................................................................................ 34
Figura 11. Representación gráfica del criterio de von Mises para condiciones de esfuerzo plano [5]. .. 36
Figura 12. Representación en tres dimensiones del criterio de von Mises [5]........................................ 36
Figura 13. Representación esquemática de un cuerpo a analizar por el MEF. ....................................... 38
Figura 14. Diagrama de bloques del desarrollo experimental. ............................................................... 48
Figura 15. Obtención de las probetas para la realización del ensayo de dureza, una en sentido
longitudinal a la laminación y otra en sentido perpendicular. ................................................................ 50
Figura 16. Durómetro para realizar el ensayo de dureza Vickers. .......................................................... 51
Figura 17. Geometría y dimensiones de las probetas para el ensayo de tensión [17]. ............................ 52
Figura 18. Máquina de Ensayos Universales Zwick/Roell. .................................................................... 53
Figura 19. Dimensiones exteriores generales de un autobús de piso bajo [1,2]. .................................... 54
Figura 20. Nodos de la estructura del autobús. ....................................................................................... 57
Figura 21. Visualización de la estructura mediante líneas que unen los nodos. ..................................... 58
Figura 22. Distribución de las secciones transversales que tienen cada uno de los elementos de la
estructura. ................................................................................................................................................ 59
Figura 23. Secciones transversales utilizadas para el modelado de la estructura en ANSYS. ............... 60
Figura 24. Estructura del autobús terminada en elementos tipo beam188 y en b) se representan las
secciones transversales. ........................................................................................................................... 61
Figura 25. Distribución de la carga viva en el piso de la estructura. ...................................................... 62
Figura 26. Determinación y distribución de la carga muerta sobre la estructura. ................................... 63
Figura 27. Determinación de puntos de apoyo de la estructura. ............................................................. 64
Figura 28. Modelo del autobús en ANSYS (Mechanical APDL). .......................................................... 66
Figura 29. Dibujo de la estructura señalando la ubicación del semi - chasis. ......................................... 67
Figura 30.Pasos a seguir para realizar las simulaciones en ansys workbench. ....................................... 68
Figura 31. Partes del semi – chasis. ........................................................................................................ 69

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Figura 32. Semi - chasis a) modelo importado de solidworks y b) mallado del modelo. ...................... 71
Figura 33. Diagrama del cuerpo libre del semi - chasis. ......................................................................... 72
Figura 34. Condiciones de borde y simulaciones, a) aplicación de la fuerza en –x para analizar guías y
barra estabilizadora, b) aplicación de la fuerza en y para observar comportamiento de semi – eje y
componentes cercanos, c) dirección de la fuerza en z para representar un frenado y d) la dirección de la
fuerza representa cuando acelera. ........................................................................................................... 74
Figura 35. Ubicación del motor reductor y pasillo de la estructura del autbús. ...................................... 75
Figura 36. Semi - Chasis diseñado en solidworks. ................................................................................. 76
Figura 37. Puntos de sujeción entre el eje delantero y la estructura del autobús (tolvas delanteras). .... 77
Figura 38. Elementos donde se aplicaron las fuerzas para hacer la simulación numérica de la tolva
delantera. ................................................................................................................................................. 78
Figura 39. Cálculo de la constante mínima de amortiguamiento para la unidad. ................................... 79
Figura 40. Curva esfuerzo - deformación para material base. ................................................................ 81
Figura 41. Resultados de desplazamientos del vector suma. .................................................................. 83
Figura 42. Resultados fuerzas axiales. .................................................................................................... 84
Figura 43. Resultados esfuerzos flexionantes. ........................................................................................ 85
Figura 44. Análisis de modal (en la imagen se muestran seis resultados de vibraciones libres de la
estructura)................................................................................................................................................ 87
Figura 45. Desplazamientos vector suma con una carga de 2.5 veces. ................................................... 89
Figura 46. Resultados de esfuerzos flexionantes con una carga viva de 2.5 veces. ............................... 90
Figura 47. Resultados de esfuerzos de von Mises cuando la fuerza se aplicó de forma perpendicular al
semi eje. .................................................................................................................................................. 92
Figura 48. Resultados de desplazamientos cuando la fuerza de 52.9 KN se aplicó de forma
perpendicular al semi eje. ........................................................................................................................ 93
Figura 49. Resultados de esfuerzos de von Mises cuando la fuerza se aplicó en el eje y simulando que
los ejes soportaron el 60% del peso bruto vehicular. .............................................................................. 95
Figura 50. Resultados de desplazamientos cuando la fuerza cuando la fuerza se aplicó en el eje y
simulando que los ejes soportaron el 60% del peso bruto vehicular. ..................................................... 96
Figura 51. Resultados de esfuerzos de von Mises representando una aceleración. ................................ 98
Figura 52. Resultados de esfuerzos de von Mises representando un frenado. ........................................ 99
Figura 53. Resultados de esfuerzos de von Mises de la tolva delantera. .............................................. 101
Figura 54. Resultados de desplazamientos de la tolva delantera. ......................................................... 102
Figura 55. Validación de resultados mediante teoría de elemento finito. ............................................. 104

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