Casos de Carga.

Si bien la restricción de nodos del modelo de elementos finitos es importante para el obtener un buen resultado, la forma en la que se aplican las cargas debe realizarse con un análisis profundo del problema a representar y en conjunto con la definición de restricciones para lograr un modelo confiable y una simulación eficiente de la realidad. Es por eso que para nuestro estudio se plantean 3 casos de carga diferentes, los cuales describen situaciones diferentes para evaluar el comportamiento de los componentes diseñados anteriormente en este documento. Estos casos han sido cuidadosamente analizados para cubrir una amplia gama de posibilidades que pueden ocurrir mientras

1

2

3

X Z

Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica

60

se conduce un vehículo bajo condiciones normales de operación y son los que representan mayor posibilidad de falla, debido a que en estos se presentan las fuerzas inerciales más grandes sobre el tanque de GNC.

En el presente caso de estudio, se analizan los efectos de las fuerzas sobre los soportes del tanque, debido al movimiento del tanque y la inercia que actúa en alguna dirección de carga, estos casos se pueden observar cuando un vehículo circula normalmente y sufre un cambio brusco en su aceleración, la inercia del movimiento actúa sobre todos los componentes del vehículo obligándolos a moverse hacia la dirección de la fuerza que domina en ese momento, dependiendo de la velocidad a la que el vehículo circula y el tiempo que tarda en detenerse o en cambiar su aceleración o dirección. Mientras mas grande sea la velocidad a la que se circula y menor sea el tiempo para detenerse mayor será la aceleración y la fuerza a la que se someterán los componentes.

Debido a que estos fenómenos ocurren en algunas ocasiones durante la conducción de un vehículo y a que estos acontecimientos obedecen patrones variables al azar cuando se presentan, originando una gran variedad de situaciones de carga del sistema, se debe analizar estos componentes sometiéndolos a un escenario de fuerzas genérico, especialmente desarrollado para casos similares, el cual permita obtener un resultado con un grado de confiabilidad elevado y al mismo tiempo se obtenga el costo mas bajo posible evitando el sobrediseñar partes, sin perder de vista el objetivo funcional de la parte o el sistema que se esta diseñando y garantizando repetibilidad en los análisis nuevos y viejos creando memoria de calculo y puntos de comparación entre ellos. Esta práctica es muy común en una industria tan competida como lo es el ramo automotriz, donde los costos de las piezas juegan el papel más importante cuando se manejan altos volúmenes de producción. Este caso no es la excepción, por lo que se pretende determinar el mejor diseño al menor costo posible, para tal efecto se utiliza una guía de mejores practicas de diseño de componentes automotrices [6]

. Cabe señalar que estas guías de diseño están desarrolladas bajo distintos enfoques, de los cuales algunos son: objetivo funcional, durabilidad, costos, seguridad, factibilidad, apariencia, peso, etc. El uso de estas prácticas de diseño es responsabilidad del ingeniero de diseño a cargo y se basan en el criterio del diseñador y el equipo de trabajo, así como también en la experiencia de la compañía automotriz y su personal. En la mayoría de las veces estas están sujetas a la comprobación física mediante pruebas funcionales o destructivas que garanticen el correcto funcionamiento de la misma y la seguridad de los pasajeros.

Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica

61

Caso de Carga en dirección X.

Una vez definido lo anterior, se requiere aplicar una fuerza en la dirección X de 8 veces[6] la aceleración de la gravedad sobre la masa del tanque de GNC, esta fuerza se sitúa en el centroide del cilindro de GNC como se muestra en la figura 4.5. Lo que nos define una fuerza FX como sigue:

Fx = MasaCilindro (G) 8 Fx = 4550 N

Este caso de carga es el más agresivo para el análisis que se plantea en este documento, y se debe a que esta condición es la más común que se presenta durante la conducción cotidiana de un vehículo cuando un vehículo sufre una desaceleración. Este caso de carga se puede representar en un caso teórico como el tener un vehículo en movimiento a 100km/h y detenerlo repentinamente en 0.35 segundos. En una maniobra de frenado normal sin colisión el movimiento de desaceleración tarda entre 3 y 5 segundos aproximadamente, dependiendo el vehículo y las condiciones físicas en las que suceda.

Caso de Carga en dirección Y.

Para el caso de carga en Y se utiliza una fuerza de 6 veces[6] la aceleración gravedad aplicada sobre la masa del tanque de GNC.

Fy = MasaCilindro (G) 6 Fy = 3410 N

Lo anterior podría representar el caso teórico de tener el tanque de 57kg instalado en un vehículo y tomar una curva sin peralte de radio igual a 15 metros a 100Km/hr, esto produciría una fuerza en el eje Y del tanque de 3410 N aproximadamente.

Caso de Carga en dirección Z.

Para el caso de carga en Z se utiliza una fuerza de 6 veces[6] _{la aceleración gravedad}

aplicada sobre la masa del tanque de GNC.

Fz = MasaCilindro (G) 6 Fz = 3410 N

Esta condición se puede llegar a presentar en pequeños instantes de tiempo cuando el vehículo circula a velocidades considerables (entre 30 – 60Km/h) por caminos irregulares que contengan baches, vados, o topes o algún otro obstáculo.

En la figura 4.5 se muestra las fuerza descritas en los puntos anteriores las cuales están sobre los ejes de carga en X,Y,Z y se aplican directamente en el centroide del cilindro de GNC, para representar los casos de carga.

Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica

62

Figura 4.5 Fuerzas aplicadas en el centroide del cilindro de GNC.

Estas fuerzas se unen a la malla mediante elementos rígidos para transferir las fuerzas a las superficies y nodos de la malla del modelo de simulación del problema.

Con estas fuerzas se espera tener esfuerzos máximos iguales o menores al esfuerzo de cedencia del material. Ya que esta carga no es una carga permanente y se presenta esporádicamente en la vida del vehículo, algunos esfuerzos aislados en pocos elementos de la malla mayores al esfuerzo de cedencia son permitidos en los componentes sin pasar un máximo crítico de 3 veces[6] el esfuerzo de cedencia. Todos estos componentes deberán ser revisados en una prueba funcional y una prueba de durabilidad para garantizar la el objetivo funcional y la seguridad del vehículo.

6[Guía de mejores prácticas y reglas para el diseño de componentes automotrices propiedad de la compañía ensambladora del automóvil en cuestión]

Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica

63