ANDRÉS RICARDO VELASCO GONZÁLEZ
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EVALUACIÓN DE INTEGRIDAD ESTRUCTURAL DEL MODELO DE BICICLETA DE CARGA MARCA BOGBI ANDRÉS RICARDO VELASCO GONZÁLEZ UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA 2018
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EVALUACIÓN DE INTEGRIDAD ESTRUCTURAL DEL MODELO DE
BICICLETA DE CARGA MARCA BOGBI
ANDRÉS RICARDO VELASCO GONZÁLEZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
2018
EVALUACIÓN DE INTEGRIDAD ESTRUCTURAL DEL MODELO DE
BICICLETA DE CARGA MARCA BOGBI
Autor:
ANDRÉS RICARDO VELASCO GONZÁLEZ
Proyecto de grado presentado como requisito para optar al título de Ingeniero
Mecánico
Profesor asesor:
EDGAR ALEJANDRO MARAÑÓN LEÓN
Ph.D. en Ingeniería Mecánica
BOGOTÁ D.C. COLOMBIA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
2018
Dedicatoria
AGRADECIMIENTOS
A mi profesor Alejandro Marañón por la guía y colaboración que me brindo a lo largo de
este proyecto.
Al equipo de BogBi quienes facilitaron las herramientas necesarias para el desarrollo del
proyecto y a quienes deseo que salgan adelante con el emprendimiento.
Al personal técnico y administrativo de la universidad por su buena disposición y servicio.
A la Universidad de los Andes por la formación que me ha brindado.
A mis padres y mi hermana, por haberme brindado
siempre su apoyo y quienes con sus vidas me han
enseñado a vivir la mía.
Con este trabajo honro a mis padres y motivo a mi
hermana a que sueñe alto.
CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 8
2. OBJETIVOS ............................................................................................................................ 9
2.1 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................................... 9
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ............................................................................................. 9
3. ESTRUCTURA GENERAL DEL PROYECTO .................................................................. 10
4. PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO ............................................................................. 11
5. METODOLOGÍA ............................................................................................................... 14
5.1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL ..................................................................... 14
5.1.1 ENSAYO DE TENSIÓN ............................................................................................... 15
5.2 CARACTERIZACIÓN DE LAS SOLDADURAS .......................................................... 16
5.2.1 RAYOS X ...................................................................................................................... 17
5.2.2 ENSAYO DE TENSIÓN ............................................................................................... 18
5.2.3 PRUEBA DE CARGA PARA ZONA FRONTAL ....................................................... 18
5.3 CARACTERIZACIÓN DE ESTADOS DE ESFUERZOS ............................................. 20
5.3.1 SIMULACIÓN POR FEM ............................................................................................ 20
5.3.2 PRUEBA CON GALGAS EXTENSIOMETRICAS .................................................... 21
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS ............................................................................................... 23
6.1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL ..................................................................... 23
6.1.1 ENSAYO DE TENSIÓN ............................................................................................... 23
6.2 CARACTERIZACIÓN DE LAS SOLDADURAS .......................................................... 25
6.2.1 RAYOS X ...................................................................................................................... 25
6.2.2 ENSAYO DE TENSIÓN ............................................................................................... 27
6.2.3 PRUEBA DE CARGA PARA ZONA FRONTAL ....................................................... 30
6.3 CARACTERIZACIÓN DE ESTADOS DE ESFUERZOS ............................................. 31
6.3.1 SIMULACIÓN POR FEM ............................................................................................ 31
6.3.2 PRUEBA CON GALGAS EXTENSIOMETRICAS ............................................ 35
7. CONCLUSIONES .................................................................................................................. 36
8. RECOMENDACIONES ........................................................................................................ 37
9. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 38
10. ANEXOS .............................................................................................................................. 39
10.1 ANEXO 1: PLANOS DE TAPONES PARA ENSAYOS DE TENSIÓN ..................... 39
10.2 ANEXO 2: TABLA DE RADIOGRAFÍAS .................................................................. 40
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1: Estructura general del proyecto .............................................................................. 10
FIGURA 2: Prototipo inicial de la empresa .............................................................................. 11
FIGURA 3: Estructura de las etapas de trabajo .......................................................................... 13
FIGURA 4: Montaje en máquina de ensayos universal INSTRON 5985 ................................. 15
FIGURA 5: Ubicación de los tapones metálicos para el ensayo de tensión ............................... 15
FIGURA 6: Principio de funcionamiento de la técnica de rayos X ........................................... 17
FIGURA 7: Montaje para la toma de imágenes de rayos X ....................................................... 17
FIGURA 8: a) Tapón para probetas TIGg#. b) Plano del tapón para probetas TIGg#............... 18
FIGURA 9: Montaje de prueba carga a compresión en zona frontal de la bicicleta en máquina
de ensayos ................................................................................................................................... 19
FIGURA 10: Montaje de prueba destructiva sobre el soporte del tenedor ................................ 19
FIGURA 11: CAD 3d de la bicicleta BogBi con condiciones de frontera, ANSYS .................. 21
FIGURA 12: Indicador portable de deformaciones P-3500 marca VICHAY
MEASUREMENTS. .................................................................................................................. 22
FIGURA 13: Carga de la bicicleta con sacos de arena para la prueba con galgas
extensiométricas ......................................................................................................................... 22
FIGURA 14: Sistemas de coordenadas para cada galga ubicada en la bicicleta ........................ 22
FIGURA 15: Diagrama tensión-deformación de las probetas T#, AISI 304 ............................. 23
FIGURA 16: Probetas T# después del ensayo de tensión .......................................................... 24
FIGURA 17: Radiografías de las probetas con mayor y menor esfuerzo ultimo para cada tipo
soldadura .................................................................................................................................... 26
FIGURA 18: Diagrama tensión-deformación de las probetas MIGa#, AISI 304 ...................... 27
FIGURA 19: Diagrama tensión-deformación de las probetas MIGs#, AISI 304. .................... 27
FIGURA 20: Diagrama tensión-deformación de las probetas TIGp#, AISI 304 ....................... 28
FIGURA 21: Diagrama tensión-deformación de las probetas TIGg#, AISI 304 ....................... 29
FIGURA 22: Diagrama carga-desplazamiento de la prueba 1 sobre la zona frontal de la
bicicleta ...................................................................................................................................... 30
FIGURA 23: Falla de la tubería producto de la prueba 2 sobre la zona frontal de la bicicleta . 31
FIGURA 24: Diagrama carga-desplazamiento de la prueba 2 sobre la zona frontal de la
bicicleta ...................................................................................................................................... 31
FIGURA 25: CAD 3D de la bicicleta con zonas que superan 80MPa de esfuerzo equivalente de
von Mises ................................................................................................................................... 32
FIGURA 26: Distribución de esfuerzos equivalentes de von Mises sobre el tenedor, vista
frontal. Zona 1 ............................................................................................................................ 32
FIGURA 27: Distribución de esfuerzos equivalentes de von Mises sobre la unión de la vaina
inferior y el tubo de sillín de la bicicleta. Zona 2 ........................................................................ 32
FIGURA 28: Distribución de esfuerzos equivalentes de von Mises sobre la platina de soporte
de la rueda trasera, con tensor. Zona 3 ...................................................................................... 33
FIGURA 29: Distribución de esfuerzos equivalentes de von Mises sobre la platina de soporte
de la rueda trasera, con disco de freno. Zona 3 ......................................................................... 33
FIGURA 30: Distribución de esfuerzos equivalentes de von Mises sobre la platina del sillín,
vista superior. Zona 4 ................................................................................................................. 33
FIGURA 31: Distribución de esfuerzos equivalentes de von Mises sobre el soporte del
manubrio y chasis. Zona 5 .......................................................................................................... 34
FIGURA 32: Plano del tapón para ensayos de tensión según norma ASTM E8-09 .................. 39
FIGURA 33: Plano del tapón para ensayos de tensión modificado para probetas TIGg# ........ 39
LISTA DE TABLAS
TABLA 1: Nomenclatura designada a las probetas de soldaduras ............................................ 16
TABLA 2: Valores de cargas aplicadas para diferentes condiciones de manejo ...................... 20
TABLA 3: Parámetros de la malla utilizada FEM .................................................................... 21
TABLA 4: Parámetros del material FEM. ................................................................................. 21
TABLA 5: Propiedades mecánicas de las probetas T#. ............................................................. 23
TABLA 6: Propiedades mecánicas de las probetas MIGa#. ...................................................... 27
TABLA 7: Propiedades mecánicas de las probetas MIGs#. ...................................................... 28
TABLA 8: Propiedades mecánicas de las probetas TIGp#. ....................................................... 28
TABLA 9: Propiedades mecánicas de las probetas TIGg# . ...................................................... 29
TABLA 10: Esfuerzo último de los distintos grupos de probetas probadas. ............................. 29
TABLA 11: Resultados experimentales de la prueba de deformación con galgas
extensiométricas y comparación con los resultados de FEM .................................................... 35
TABLA 12: Radiografías de probetas TIGg. ............................................................................. 40
TABLA 13: Radiografías de probetas TIGp. ............................................................................. 41
TABLA 14: Radiografías de probetas MIGs .............................................................................. 43
TABLA 15: Radiografías de probetas MIGa. ............................................................................ 44
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1. INTRODUCCIÓN
En las últimas décadas, los problemas asociados al cambio climático, la movilidad y la salud
publica en los centros urbanos del mundo han confluido en una creciente tendencia del uso
de las bicicletas como medio recreativo y de transporte. En respuesta a esa demanda, surge
un emprendimiento Colombo-Noruego llamado BogBi, una empresa dedicada al diseño,
fabricación y venta de bicicletas de carga para uso urbano, con sede principal en Bogotá.
BogBi se encuentra incursionando en el mercado europeo, en el que se venden alrededor de
20 millones de bicicletas anualmente y en el 2016 este sector tuvo un mercado de 1.754
billones de euros [1].
Para la fecha, la empresa cuenta con un prototipo funcional con el cual han logrado los
primeros pedidos para el año 2018. Sin embargo, aún se requiere de un estudio de integridad
estructural de la bicicleta, que permita mejorar el diseño y garantizar la calidad del producto
para competir en el mercado europeo el cual es altamente competitivo.
En el contexto expuesto anteriormente, este proyecto se plantea como una oportunidad de
aplicar conocimientos de ingeniería mecánica para la evaluación de integridad estructural del
producto mencionado y brindar información técnica a la empresa, la cual aún se encuentra
desarrollando sus procesos de producción y consolidando el diseño del producto.
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2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Evaluar la integridad estructural del modelo de la bicicleta de carga actualmente
fabricadas por la marca BogBi.
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
1. Caracterizar las propiedades mecánicas del material utilizado para la
fabricación de las bicicletas BogBi.
2. Caracterizar las soldaduras realizadas en la empresa.
3. Evaluar los estados de esfuerzos a los cuales se encuentra sometida la bicicleta
en condiciones de uso normal.
-
10
3. ESTRUCTURA GENERAL DEL PROYECTO
El siguiente proyecto de grado se estructura de la siguiente forma: Se presenta el recuento de
los requerimientos y recursos que la empresa BogBi aporto, así como las etapas que se
plantearon para realizar el proyecto. Posteriormente se explicarán las metodologías aplicadas
junto con los trabajos y normativas consultados para la selección y diseño de estas. Seguido
de lo anterior, se expondrán los resultados y el análisis de estos. Finalmente, se darán las
conclusiones y recomendaciones del proyecto (Ver Figura 1).
Figura 1. Estructura general del proyecto.
11
4. PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO
Como se mencionó en la introducción, BogBi es un emprendimiento que cuenta con un
prototipo el cual es el producto que se va a tomar como objeto de estudio durante este
proyecto (Ver Figura 2). El modelo fue realizado por el diseñador Johannes Hegdahl quien
también es cofundador y dueño de la compañía.
Lo primero que se planteo en las discusiones con
él, fue que el diseño estético de la bicicleta debía
mantenerse, pues este es esencial y distintivo de la
marca. También se partió de que el material a
utilizar debía ser acero inoxidable AISI 304, ya
que la disponibilidad del material es adecuada para
la empresa y el ambiente en el cual la bicicleta
debe operar es altamente corrosivo, esto a causa de
que en lugares donde nieva se suelen dispersar sales en las vías para mantenerlas sin nieve.
Otro de los parámetros a tener en cuenta son las prestaciones que deben garantizar las
bicicletas. BogBi comercializa sus bicicletas como un vehículo familiar urbano, con
capacidad de transportar dos niños menores a 5 años en la zona de carga y un adulto como
conductor. Teniendo eso en cuenta, se acordó que el peso que debía soportar la bicicleta
debía ser de alrededor de 700 N en la zona de carga y 800N en el conductor.
Al abordar las preocupaciones que tenía el equipo de BogBi, se decidió que el objetivo del
proyecto debía ser el evaluar la integridad estructural de las bicicletas, pues el diseño inicial
no había tenido en cuenta criterios de ingeniería, por lo cual no se sabía si la bicicleta era
segura. A demás de que, en los siguientes meses al planteamiento del proyecto, la empresa
debía iniciar la producción para realizar las entregas de los pedidos que habían logrado.
Figura 2: Prototipo inicial de la empresa.
Fuente: https://www.bogbi.co/
12
Para responder a los requerimientos y resolver las preocupaciones dialogadas, se plantearon
las siguientes etapas a trabajar:
1. Caracterizar el material:
Puesto que el material que se utiliza para las bicicletas es mayoritariamente tubería y estos
elementos tienen un trabajo en frio considerable, es necesario conocer las propiedades
mecánicas de la materia prima para las bicicletas. A demás de comprobar la confiabilidad y
calidad del material suministrado por el proveedor.
2. Caracterizar las soldaduras:
Las soldaduras son uniones metálicas ampliamente utilizadas en la industria, sin embargo, la
calidad de estas depende de que la aplicación y el proceso utilizado. Si bien existen diversos
procesos de soldaduras, para cada uno de ellos se requiere de:
• Una adecuada fuente de energía que produzca la fusión del material.
• Que ni la atmosfera, ni las superficies a unir estén contaminadas.
• Que haya una buena aplicación de la soldadura.
Estas condiciones mínimas son las que repercuten en que las soldaduras sean de buena
calidad.
Por lo anterior, es necesario realizar una caracterización de las soldaduras que se están
realizando actualmente en BogBi, pues estas uniones suelen ser una causa recurrente en los
fallos de estructuras.
3. Caracterizar los estados de esfuerzos:
El esfuerzo se define en ingeniería como la carga o fuerza por unidad de área, este concepto
es utilizado para realizar análisis en elementos sometidos a cargas pues conociendo las
propiedades mecánicas de los materiales y los estados de esfuerzos en esas estructuras se
puede determinar si las estructuras son o no seguras en las condiciones para las cuales fueron
diseñadas. Por lo anterior, es imprescindible conocer los estados de esfuerzos a los cuales
estará sometida la bicicleta y con base a esos datos dar un criterio ingenieril de diseño.
13
Teniendo claro cuales serán las etapas de trabajo y la razón de estas para el proyecto, se
procedió a seleccionar las pruebas necesarias para lograr cada uno de los objetivos
específicos a los que apunta cada una de las etapas planteadas. De lo anterior surgió el
siguiente esquema (Ver Figura 3), en el cual se sintetiza el trabajo realizado en este proyecto
y el cual se explica en la sección de metodología.
Figura 3: Esquema de las etapas de trabajo.
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5. METODOLOGÍA
En esta sección se explica el procedimiento para cada una de las etapas planteadas, se
menciona la documentación consultada y los parámetros bajo los cuales se realizaron las
pruebas.
5.1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL
Todos los materiales cuentan con una serie de propiedades que les han permitido a los
ingenieros tener parámetros de selección al momento de diseñar. En el caso particular de este
proyecto, se tiene por requerimiento que el material a analizar es el acero inoxidable AISI
304, el cual fue escogido por ser comercial y por sus propiedades anticorrosivas.
A pesar de ser un metal bastante conocido y que sus propiedades mecánicas pueden
encontrarse en la bibliografía general, es necesario determinar experimentalmente algunas
de las propiedades del material utilizado por BogBi, pues las propiedades mecánicas pueden
ser afectadas significativamente en los procesos de producción. Las impurezas en la aleación,
tratamientos térmicos inadecuados, trabajos en frio o en caliente pueden generar esfuerzos
internos que perjudican la calidad del producto.
El material por caracterizar es tubería de diámetro 31.75mm (1¼”) calibre 18 del acero AISI
304. Cabe mencionar que la tubería utilizada se fabrica a partir de laminas de acero, las cuales
pasan por un proceso de trabajo en frio a través de un tren de laminación que le da la forma
tubular y luego es soldada por proceso de soldadura TIG.
Para encontrar la curva de esfuerzo-deformación del material y a partir de esta conocer
algunas de sus propiedades mecánicas, se aplicó la normativa de ensayos de tensión en
tubería metálica, la cual es la ASTM E8 – 09 [2].
15
5.1.1 ENSAYO DE TENSIÓN
La norma ASTM E8 - 09 aplica para pruebas a temperatura ambiente (10 a 38°C) y contiene
la información necesaria para realizar pruebas de tensión a distintas probetas según la
geometría de estas. En este caso se utilizará el espécimen 6.9.1 [2] el cual es para tubos
pequeños, definidos como tubos de diámetro inferiores a 1 in o hasta la limitación de la
máquina de ensayos (Ver Figura 4). Para esta prueba es necesario preparar dos tapones
metálicos (Anexo 10.1), los cuales se manufacturaron y se instalaron como se indica en la
Figura 5.
La prueba se realizó con mordazas circulares, a una velocidad de 3mm/min y se probaron 7
probetas de 40cm de largo, la nomenclatura que se les asigno es T# (Ejemplo: T1, T2, …,
T7).
Figura 4: Montaje en máquina de ensayos universal
INSTRON 5985.
Figura 5: Ubicación de los tapones metálicos para el
ensayo de tensión. Fuente: ASTM E8 – 09 [2]
16
5.2 CARACTERIZACIÓN DE LAS SOLDADURAS
Como se mencionó en el planteamiento del proyecto, la calidad de las uniones por soldadura
depende entre otras variables de la correcta aplicación del proceso. Una soldadura ideal debe
ser continua e indistinguible de las dos partes que une, por lo que toda discontinuidad
representa fallos en la aplicación de esta y los fallos perjudican las propiedades mecánicas
de la unión.
Por lo anterior se decide realizar una inspección de las soldaduras utilizando imágenes de
rayos X, con este método se pretende identificar las imperfecciones de los cordones de
soldaduras aplicados con 3 distintos procesos aplicación. El primer proceso que BogBi
maneja es MIG con un anillo interno, el segundo es MIG sin anillo y el tercero es TIG el cual
fue propuesto en este proyecto.
Adicional a las imágenes tomadas con rayos X, se realizaron ensayos de tensión para cada
una de las probetas con soldadura, para relacionar las imágenes tomadas con las respectivas
curvas de esfuerzo deformación que corroboren las observaciones.
Las probetas utilizadas para esta etapa son las siguiente:
Nomenclatura Largo Diámetro Calibre Unión
TIGg# 40cm 38.1mm (1 ½”) 18 Soldadura TIG
TIGp# 40cm 31.75mm (1¼”) 20 Soldadura TIG
MIGs# 40cm 31.75mm (1¼”) 18 Soldadura MIG sin anillo
MIGa# 40cm 31.75mm (1¼”) 18 Soldadura MIG con anillo
Por último, se hizo necesario realizar una prueba de que verificara la resistencia de la
soldadura en la zona frontal de la bicicleta (Ver Figura 10). Esa unión al tener una geometría
compleja no puedo ser evaluada con la misma metodología utilizada con los tubos anteriores.
Tabla 1: Nomenclatura designada a las probetas de soldaduras.
17
5.2.1 RAYOS X
Los rayos X se emplean como un ensayo no
destructivo para analizar soldaduras y se basa en el
diferencial de absorción de radiación de los
componentes testeados. El proceso consiste en
bombardear el material con radiación
electromagnética de muy pequeña longitud de onda
(rayos X o rayos γ). La diferencia de densidades y de
espesor en el material influye en la absorción de la
radiación. La radiación que logra traspasar el material
es captada por un material sensible a esta, con lo cual
se puede reconstruir una imagen (Ver Figura 6).
Par este proyecto se utiliza una máquina de radiografías PXP-40HF y el equipo de
adquisición VIDISCO foXraylle Trekker Backpack (Ver Figura 7).
Las imágenes se tomaron en una caja
de plomo, a una distancia aproximada
de 20cm entre la fuente de radiación y
los tubos. La potencia de la maquina se
seleccionó de manera iterativa para
cada imagen, dependió del ángulo de la
probeta y la calidad de la imagen
obtenida.
Figura 6: Principio de funcionamiento
de la técnica de rayos X. Fuente: [3]
Figura 7: Montaje para la toma de imágenes de rayos X.
18
5.2.2 ENSAYO DE TENSIÓN
Este ensayo de tensión se realiza del mismo modo que en la sección 5.1.1 para las probetas
TIGp#, MIGs# y MIG1#, pues son geométricamente iguales a las probetas T#. Sin embargo,
para las probetas TIGg# fue necesario manufacturar otro par de tapones los cuales no están
especificados en la norma ASTM E8 – 09. Estos segundos tapones son una adaptación de los
primeros para que la máquina de ensayos INSTRON 5985 pueda sujetar estas probetas de
mayor diámetro (Ver Figura 8).
Las mordazas de la máquina de ensayos deben ser planas para sujetar las probetas con el
tapón para probetas TIGg.
5.2.3 PRUEBA DE CARGA PARA ZONA FRONTAL
Con las pruebas de las secciones 5.2.1 y 5.2.2 se puede determinar las propiedades mecánicas
de las uniones para tubos unidos por la sección transversal de los mismos. Sin embargo, en
la bicicleta hay soldaduras con geometrías complejas que no pueden analizarse de la misma
forma.
Figura 8: a) Tapón para probetas TIGg#. b) Plano del tapón para probetas TIGg#.
a) b)
19
Puesto que esas soldaduras de geometría compleja se encuentran principalmente en la zona
frontal de la bicicleta se decide realizar un test de carga con una réplica tamaño real de la
zona frontal de la bicicleta (Ver Figura 9).
Esta prueba toma como referencia la metodología de la
sección 4.8.2 y 4.9.3 de la normativa EN 14781 [4]. En primer
lugar, se manufacturo una replica tamaño real de la parte
frontal de la bicicleta, la cual se posiciono de la forma en que
se muestra en la figura 9 y se sometió a 3 ciclos de carga
estática, cada uno de 2300N aplicados sobre el extremo en
voladizo del tenedor, manteniendo la carga durante 1 minuto
y luego descargando.
Esta prueba permitirá conocer la carga de fluencia de la
estructura y la energía proporcionada a la estructura durante
la carga, estos datos podrán ser contrastados con el estándar
de carga estática (sección 4.9.4) y energía de impacto (sección
4.8.2) que se encuentran en la normativa anteriormente
mencionada [4].
Adicionalmente se quiso conocer la capacidad de
carga de la soldadura del soporte del tenedor. Para
lo anterior, se realizó una segunda prueba para la
cual se retira el tenedor y se reemplaza por una barra,
se aplica carga sobre la barra y el soporte mostrado
en la figura 10, hasta llevar la estructura a fractura.
En la segunda prueba solo se desea conocer la carga
máxima que soporta la unión y el lugar donde ocurre
la falla.
Figura 9: Montaje de prueba
carga a compresión en zona
frontal de la bicicleta en
máquina de ensayos.
Figura 10: Montaje de prueba destructiva
sobre el soporte del tenedor.
20
5.3 CARACTERIZACIÓN DE LOS ESTADOS DE ESFUERZOS
Teniendo presente que el objetivo del proyecto es evaluar la integridad estructural de la
bicicleta, se hace necesario encontrar los estados de esfuerzo de la bicicleta en condiciones
normales de uso y con base a estos saber si el material resiste o no. Para lo anterior, se utiliza
el programa WorkBench ANSYS el cual por medio del método de elementos finitos permite
realizar simulaciones que dan a conocer el estado de esfuerzos de von Mises de la bicicleta.
5.3.1 SIMULACIÓN POR FEM
La geometría de la bicicleta se tuvo que digitalizar, para luego en la simulación aplicarle las
cargas equivalentes a una situación real de uso. Para la creación del modelo CAD 3d se utilizó
Autodesk Inventor Profesional y para la simulación se utilizó ANSYS WorkBench. Las
cargas que se aplicaron a la bicicleta se tomaron del papper “Load on Bicycle Frame During
Cycling with Different Speeds and Gestures” [5]. De ese papper se toma que en el sillín se
debe aplicar una carga de 300N, 434N en el
manubrio y 320N en los pedales, datos válidos
para un ciclista de 55kg a una velocidad de
7.25m/s (Ver Tabla 2). Adicional a las cargas
mencionadas, sobre la bici actúa la gravedad y
una carga de 1000N ubicada en la zona de carga.
Para la simulación se restringió el movimiento
de la bicicleta en los 4 soportes donde van los ejes de las ruedas, en el tenedor se restringe el
desplazamiento en las direcciones X, Y, Z y en los soportes traseros se restringe solo Y, Z.
La rotación para los 4 soportes se permite en Z y se restringe en X, Y (Ver Figura 10).
La configuración para la malla utilizada se muestra en la Tabla 3 y las propiedades del
material se presentan en la Tabla 4 estas propiedades se toman de los resultados del ensayo
de tensión (Ver Tabla 5b) y de la biblioteca general de materiales de ANSYS.
Los resultados deseados son los esfuerzos equivalentes de von Mises para cada punto de la
bicicleta, con los cuales se podrá identificar las zonas críticas de la estructura.
Tabla 2: Valores de cargas aplicadas para
diferentes condiciones de manejo. Fuente: [5]
21
5.3.2 PRUEBA CON GALGAS EXTENSIOMETRICAS
La simulación por elementos finitos debe ser contrastada con una prueba experimental que
permita corroborar que la simulación concuerda con la realidad. La prueba consistió en
utilizar 4 galgas extensiométricas ubicadas en distintos puntos de la bicicleta, con el fin de
medir la deformación sufrida por la estructura al ser cargada de la misma forma que en la
simulación. Las mediciones se tomaron con el indicador de deformaciones P-3500 de la
marca VICHAY MEASUREMENTS (Ver Figura 12) en configuración de cuarto de puente
Figura 11: CAD 3d de la bicicleta BogBi, con condiciones de
frontera, ANSYS WorkBench.
Tabla 3: Parámetros de la malla utilizada FEM.
Tabla 4: Parámetros del material FEM.
22
y la carga se realizó con sacos de arena previamente pesados y posicionados como se muestra
en la figura 13.
Las galgas se posicionaron en el tenedor (g1), en una de las curvaturas inferiores del chasis
(g2), en el puente del manubrio (g3) y en la tijera (g4). Las galgas solo pueden medir
deformaciones en la dirección en la que se instalan, por lo que en la simulación se crearon
sistemas de coordenadas alineadas igual que las galgas reales y con la herramienta de prueba
de deformaciones se halla la deformación en los puntos y direcciones indicados en la figura
14, correspondientes a cada galga.
Figura 12: Indicador portable de
deformaciones P-3500 marca VICHAY
MEASUREMENTS.
Figura 13: Carga de la bicicleta con sacos de arena para la
prueba con galgas extensiométricas.
c) d) b) a)
Figura 14: Sistemas de coordenadas para cada galga ubicada en la bicicleta. a) Galga ubicada en el tenedor en
dirección Y nombrada g1. b) Galga ubicada en la curvatura inferior de chasis en dirección X nombrada g2. c) Galga
ubicada en el puente del manubrio en dirección Z nombrada g3. d) Galga ubicada en la tijera en dirección X.
23
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS
6.1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL
6.1.1 ENSAYO DE TENSIÓN
Del ensayo de tensión se obtuvo el diagrama tensión-deformación de las probetas T#.
A partir del diagrama mostrado en las figuras 15, se pueden extraer la siguiente tabla de
propiedades:
a) b)
Figura 15: a) Diagrama tensión-deformación de las probetas T#, AISI 304. b) Zona elástica del diagrama
con el eje de deformaciones expandido para determinar el limite elástico de 0.2%.
# T1 T2 T3 T5 T6 T7 Promedio Des. Estandar
σ [MPa] 434.25 447.47 327.35 446.48 405.24 449.98 418.46 47.63
UTS [MPa] 788.30 754.81 611.72 748.71 719.30 760.15 730.50 62.25
E [GPa] 202.38 199.67 155.52 199.95 196.29 199.71 192.25 18.10
Max Carga [kN] 105.05 100.59 81.52 99.78 95.86 101.30 97.35 8.30
Carga de fluencia [kN] 57.87 59.63 43.63 59.50 54.01 59.97 55.77 6.35
Tabla 5: Propiedades mecánicas de las probetas T#. a) Propiedades de todas las probetas testeadas. b)
Propiedades de las probetas discriminando la T3.
a)
24
Al observar la curva de esfuerzo deformación de la
probeta T3 se identifica que esta tuvo un comportamiento
anormal con relación a las otras, por lo que se procede a
revisar la forma de la fractura y se encuentra que la
probeta T3 fallo con un ángulo aproximado de 60°
mientras que las demás tuvieron una falla a 90° ambos
con respecto al eje del tubo. En un ensayo a tensión se
espera que la falla se de a 90° sin embargo cuando la falla
se da un ángulo distinto suele ser por imperfecciones en
la microestructura del material o a esfuerzos internos
producto de tratamientos térmicos o trabajos en frio o
caliente. Por lo anterior, se discrimina la probeta T3 por
considerarse una muestra anormal y se trabaja con los
datos obtenidos en la tabla 5b.
# T1 T2 T5 T6 T7 Promedio Des. Estandar
σ [MPa] 434.25 447.47 446.48 405.24 449.98 436.68 18.60
UTS [MPa] 788.30 754.81 748.71 719.30 760.15 754.25 24.73
E [GPa] 202.38 199.67 199.95 196.29 199.71 199.60 2.17
Max Carga [kN] 105.05 100.59 99.78 95.86 101.30 100.52 3.30
Carga de fluencia [kN] 57.87 59.63 59.50 54.01 59.97 58.20 2.48
b)
Figura 16: Probetas T# después del
ensayo de tensión.
25
6.2 CARACTERIZACIÓN DE LAS SOLDADURAS
6.2.1 RAYOS X
Con los rayos X se pudo construir la tabla de radiografías del anexo (Ver Anexo 10.2), en ella
se puede observar las imágenes de los cordones de soldadura de cada una de las probetas.
Para analizar las imágenes se revisaron los resultados de la sección 6.2.2 para identificar las
probetas con mayor y menor esfuerzo ultimo de cada tipo de soldadura y se organizaron en
la figura 17. Las imágenes de la probeta TIGg 2 muestran que el principal defecto de esta
unión son los rechupes, los cuales son los espacios en negro del centro de los puntos de
soldadura y las discontinuidades son pocas al compararlos con la probeta TIGg 3, la cual
evidencia falta de penetración del material de adición de la soldadura, dando como resultado
que la probeta TIGg2 tuviera un esfuerzo ultimo 1.89 veces mayor a TIGg 3. La probeta
TIGp 1 presento pocos rechupes y la continuidad del cordón es aceptable, sin embargo, la
probeta TIGp3 presenta secciones donde el cordón se adelgaza evidenciando falta de
penetración. Las soldaduras de las probetas MIGa y MIGs presentan una aplicación por
puntos en lugar de un cordón continuo, lo cual aumenta los espacios sin material de adición.
sumado a lo anterior, los puntos de soldadura están dispersos, algunos de ellos sin hacer
contacto con las dos secciones de tubo a unir. Lo mencionado sobre las uniones MIG
evidencia que este proceso requiere de mayor habilidad del operario puesto que el proceso
MIG es más rápido a comparación del proceso TIG. Los rechupes pueden prevenirse
precalentando la tubería antes de aplicar el material de adición y la falta de penetración se
debe principalmente en que no se configura bien el voltaje y amperaje de la máquina de
soldaduras, estos parámetros deben seleccionarse según el calibre de la tubería.
26
Figura 17: Radiografías de las probetas con mayor y menor esfuerzo ultimo para cada tipo soldadura. a) TIGg2
(572.66MPa), TIGg3 (301.87MPa). b) TIGp1 (638.74MPa), TIGp3 (574.60MPa). c) MIGa4 (393.81MPa), MIGa7
(507.79MPa). d) MIGs7 (655.14MPa), MIGs5 (444.67MPa).
a)
Vista 1 Vista 2
b)
Vista 1 Vista 2
c)
Vista 1 Vista 2
d)
Vista 1 Vista 2
27
6.2.2 ENSAYO DE TENSIÓN
b) a)
a) b)
Figura 18: a) Diagrama tensión-deformación de las probetas MIGa#, AISI 304. b) Zona elástica del
diagrama con el eje de deformaciones expandido para determinar el limite elástico de 0.2%.
# MIGa1 MIGa2 MIGa3 MIGa4 MIGa5 MIGa6 MIGa7 Promedio Des. Estandar
σ [MPa] 384.36 408.68 350.52 359.08 349.34 381.90 316.61 364.36 29.99
UTS [MPa] 440.78 467.44 500.35 393.81 458.34 465.28 507.79 461.97 38.12
E [GPa] 155.54 191.43 138.24 166.75 153.29 184.89 119.98 158.59 25.10
Max Carga [kN] 58.74 62.29 66.68 52.48 61.08 62.01 67.67 61.56 5.08
Carga de fluencia [kN] 51.22 54.46 46.71 47.85 46.56 50.90 42.19 48.56 4.00
Figura 19: a) Diagrama tensión-deformación de las probetas MIGs#, AISI 304. b) Zona elástica del
diagrama con el eje de deformaciones expandido para determinar el limite elástico de 0.2%.
Tabla 6: Propiedades mecánicas de las probetas MIGa#.
28
# MIGs1 MIGs2 MIGs3 MIGs4 MIGs5 MIGs6 MIGs7 Promedio Des. Estandar
σ [MPa] 370.88 356.13 356.01 366.90 367.89 363.40 369.11 364.33 6.09
UTS [MPa] 435.06 565.82 499.22 466.05 444.67 501.42 655.14 509.62 77.66
E [GPa] 172.79 186.55 176.01 187.11 184.30 181.02 190.60 182.63 6.39
Max Carga [kN] 57.98 75.40 66.53 62.11 59.26 66.82 87.31 67.92 10.35
Carga de fluencia [kN] 49.43 47.46 47.44 48.90 49.03 48.43 49.19 48.55 0.81
Tabla 7: Propiedades mecánicas de las probetas MIGs#.
Tabla 8: Propiedades mecánicas de las probetas TIGp#.
Figura 20: a) Diagrama tensión-deformación de las probetas TIGp#, AISI 304. b) Zona elástica del diagrama
con el eje de deformaciones expandido para determinar el limite elástico de 0.2%.
# TIGp1 TIGp2 TIGp3 TIGp4 TIGp5 Promedio Des. Estandar
σ [MPa] 331.10 292.60 337.70 335.53 307.78 320.94 17.74
UTS [MPa] 638.74 616.35 574.60 638.72 591.34 611.95 25.58
E [GPa] 171.85 115.68 169.29 181.41 151.77 158.00 23.22
Max Carga [kN] 73.88 71.29 65.42 69.80 73.18 70.71 3.01
Carga de fluencia [kN] 38.30 33.84 38.45 36.67 38.09 37.07 1.73
b) a)
29
Los diagramas y tablas anteriores son referentes a cada grupo de probetas probadas y como
se mencionó en la sección 6.2.1, la propiedad con la que se evalúan las uniones es el esfuerzo
ultimo por lo cual se realiza la tabla 10 en donde puede identificarse que las probetas TIGp
son las de mayor UTS, con una desviación estándar menor.
b) a)
Tabla 9: Propiedades mecánicas de las probetas TIGg# .
Figura 21: a) Diagrama tensión-deformación de las probetas TIGg#, AISI 304. b) Zona elástica del diagrama
con el eje de deformaciones expandido para determinar el limite elástico de 0.2%.
# TIGg1 TIGg2 TIGg3 TIGg4 TIGg5 Promedio Des. Estandar
σ [MPa] 280.83 264.50 247.89 248.52 292.41 266.83 19.68
UTS [MPa] 307.06 572.66 301.87 258.86 412.60 370.61 126.33
E [GPa] 155.91 99.25 157.00 156.58 146.43 143.03 24.87
Max Carga [kN] 56.87 106.06 55.91 47.94 76.41 68.64 23.40
Carga de fluencia [kN] 52.01 48.99 45.91 46.03 54.15 49.42 3.65
Tabla 10: Esfuerzo último de los distintos
grupos de probetas probadas.
UTS [Mpa] Des. Estandar % Des. Estandar
MIGa 461.97 38.12 8.25
MIGs 509.62 77.66 15.24
TIGp 611.95 25.58 4.18
TIGg 370.61 126.33 34.09
30
6.2.3 PRUEBA DE CARGA PARA ZONA FRONTAL
La primera prueba de carga cuasi estática descrita en la sección 5.2.3 da como resultado el
diagrama de la figura 22 donde se ven los 3 ciclos de carga y descarga a los que se sometió
la estructura. En ese diagrama se identifica que ocurre deformación plástica al superarse la
carga de los 1500 N y la energía aplicada hasta este punto para los tres ciclos es cercana a
los 22.5 J (Energía=carga*desplazamiento). Teniendo en cuenta que en la normativa EN
14781 [4] sección 4.8.2, la energía
de impacto que debe soportar la
estructura es de 46.8 J se puede
afirmar que la estructura no cumple
con el estándar de la normativa. Sin
embargo, se observo que la
deformación plástica fue sufrida en
totalidad por el tenedor, por lo que
se identifica a este elemento como
crítico en la estructura.
La segunda prueba busco encontrar la carga de falla de la soldadura del soporte del tenedor,
sin embargo, la falla de la estructura no se dio sobre la soldadura, sino en la tubería (Ver
Figura 23). La carga que soporto la estructura fue de 20000 N como se aprecia en el diagrama
de la figura 24, el desplazamiento en este diagrama no corresponde al desplazamiento real
de la estructura, pues inicialmente la carga se aplicó sobre una barra en reemplazo del
tenedor, pero la barra fallo antes que la soldadura y el chasis, por lo que se reacomodo la
mordaza de la máquina de ensayos.
Figura 22: Diagrama carga-desplazamiento de la prueba 1
sobre la zona frontal de la bicicleta.
31
6.3 CARACTERIZACIÓN DE LOS ESTADOS DE ESFUERZOS
6.3.1 SIMULACIÓN POR FEM
El criterio para evaluar los esfuerzos obtenidos en la simulación será el sugerido en el libro
Fundamnetals of Machine Component Design capítulo 6.12.2 [6] para ciclos de vida infinita,
en esa sección se plantean los valores para el factor de seguridad que debe aplicarse para
distintos escenarios. Para elementos sujetos a cargas repetitivas se debe aplicar el factor de
seguridad al límite de endurecimiento del material en vez del esfuerzo de fluencia, el cual
para el acero inoxidable AISI 304 es de 240 MPa [7]. A este valor se le deberá aplicar un
factor de seguridad de 3 el cual se aplica a materiales conocidos pero que están sujetos a
ambientes o esfuerzos desconocidos. De lo anterior se tiene que el esfuerzo crítico para la
evaluación de la bicicleta será de 80 MPa.
Bajo el criterio descrito anteriormente se identificaron 5 zonas en las que se superan los
80MPa, las cuales se presentan en la figura 25.
Figura 23: Falla de la tubería producto de la
prueba 2 sobre la zona frontal de la bicicleta.
Figura 24: Diagrama carga-desplazamiento de
la prueba 2 sobre la zona frontal de la bicicleta.
32
1
2
3
4
5
Figura 25: CAD 3D de la bicicleta con zonas que superan 80MPa de esfuerzo equivalente
de von Mises.
Figura 26: Distribución de esfuerzos equivalentes de von Mises sobre el tenedor, vista frontal. Zona 1.
Figura 27: Distribución de esfuerzos equivalentes de von Mises sobre la unión de la vaina inferior y el tubo
de sillín de la bicicleta. Zona 2.
33
Figura 28: Distribución de esfuerzos equivalentes de von Mises sobre la platina de soporte de la rueda
trasera, con tensor. Zona 3.
Figura 29: Distribución de esfuerzos equivalentes de von Mises sobre la platina de soporte de la rueda
trasera, con disco de freno. Zona 3.
Figura 30: Distribución de esfuerzos equivalentes de von Mises sobre la platina del sillín, vista superior. Zona 4.
34
En la figura 26 se presentan esfuerzos cercanos a los 200MPa, estos esfuerzos tan altos se
presentan en las uniones del tenedor debido a que actúan como concentradores de esfuerzos.
La figura 27 presenta esfuerzos de hasta 87MPa sobre el área donde va el cordón de
soldadura, teniendo en cuenta las imperfecciones presentadas en la sección 6.2.1 es probable
que prospere una grieta en la soldadura y la unión falle. En la figura 28, 29 y 30 se encuentran
esfuerzos alrededor de los 100MPa los cuales se presentan debido a los agujeros de reducción
de peso que actúan como concentradores de esfuerzos. Por último, en la figura 31 se
observan esfuerzos cercanos a los 90 MPa en las curvas del chasis.
Figura 31: Distribución de esfuerzos equivalentes de von Mises sobre el soporte del manubrio y chasis.
Zona 5.
35
6.3.2 PRUEBA CON GALGAS EXTENSIOMETRICAS
Las deformaciones obtenidas con las galgas extensiométricas son la diferencia entre los
valores medidos para cada galga, antes y después de ser sometida la estructura al estado de
cargas estipulado para esta prueba. Las deformaciones del modelo de elementos finitos son
contrastadas con las deformaciones experimentales en la tabla 11, en ella se encuentra el
error relativo de los datos del modelo computacional respecto a los valores experimentales.
Los errores relativos son pequeños, inferiores al 10% para las galgas g1, g2 y g4 y al ver la
figura 14 se puede explicar que la galga g3 ubicada en el soporte del manubrio tuviera un
error relativo mayor a las demás, pues al soportar y mantener en equilibrio al saco de arena
se pudo adiciona fuerza en ese punto.
Teniendo en cuenta que el error relativo en esta prueba es pequeño, se puede concluir que el
modelo de elementos finitos es confiable con un error aproximado del 4%.
Galga FEM
Descripción Descargada [μ] Cargada [μ] Deformación[μ] Error relativo Deformación[μ]
Tenedor (g1) 1839 2160 3.21E-04 3.92% 3.08E-04
Curva (g2) 1107 1340 2.33E-04 2.13% 2.38E-04
Puente (g3) 1536 1815 2.79E-04 10.66% 3.09E-04
Tijera (g4) 1988 1850 -1.38E-04 3.72% -1.33E-04
Caja de deformacionesMediciones
Tabla 11: Resultados experimentales de la prueba de deformación con galgas
extensiométricas y comparación con los resultados de FEM.
36
7. CONCLUSIONES
1. Con base en los resultados del ensayo de tensión, se conoce que el Módulo de
elasticidad del material probado es de 199.6 GPa con desviación estándar 2.17GPa
equivalente al 1.08%, por lo anterior y sabiendo que el módulo de elasticidad estándar
comercial para este material es 190-210 GPa se puede concluir que el material utilizado
por la empresa es confiable.
2. No es conveniente el uso de anillos de refuerzo en las soldaduras, estos elementos
perjudican las propiedades mecánicas de las uniones. A demás de adicionar peso, costos
en tiempo y material innecesario.
3. Los cordones de soldadura TIG presenta menos discontinuidades e imperfecciones que
los realizados por soldadura MIG. Lo anterior se manifiesta en mayor resistencia de la
unión cuando se aplica TIG en lugar de MIG.
4. La soldadura del soporte del tenedor resiste cargas muy superiores a las que se espera
esté sometida en condiciones de uso normal.
5. Los elementos que están sometidos a esfuerzos que no cumplen con el criterio de
diseño de vida infinita son los siguientes:
- El tenedor
- Las platinas de sujeción del eje de la rueda trasera
- La platina del sillín
- La soldadura de la tijera (zona 2)
- Curvaturas del chasis (zona 5)
6. Con base en la prueba de carga cuasi estática donde la estructura soporto cerca de 2
toneladas de carga y que la simulación de elementos finitos mostro que la mayor parte de
la bicicleta presenta esfuerzos por debajo de los 80MPa, se concluye que la bicicleta esta
sobre dimensionada en las áreas distintas a los puntos críticos previamente mencionados.
37
8. RECOMENDACIONES
1. Teniendo en cuenta que las soldaduras presentan múltiples imperfecciones, se
recomienda capacitar al soldador y estandarizar los parámetros del proceso (Voltaje,
amperaje, preparación de superficies a unir).
2. Para los elementos que no cumplen con el criterio de vida infinita se recomienda:
- Tenedor: Disminuir el efecto del concentrador de esfuerzo reemplazando la unión
en ángulo por una curvatura y utilizar una tubería con un perfil de mayor
momento de inercia que el circular actualmente utilizado.
- Platinas de sujeción de rueda trasera y de sillín: Rediseñar la colocación de los
agujeros (optimización topológica).
- Soldadura de la tijera (zona 2): Colocar algún elemento de refuerzo en el área,
ejemplo: una cuña.
- Curvaturas del chasis: Aumentar el espesor de la tubería en esas áreas o aumentar
el radio de las curvaturas para disminuir el concentrador de esfuerzos.
3. Se recomienda como trabajo futuro realizar optimización topológica sobre la
geometría completa de la bicicleta pues existen partes de la estructura que están
sobredimensionadas, lo cual aumenta el peso y los costos del producto.
38
9. BIBLIOGRAFÍA
[1] Confederation of the European Bicycle Industry, 2017, CONEBI, from:
http://www.conebi.eu/facts-and-figures/.
[2] ASTM International, 2009, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic
Materials, Estados Unidos, ASTM E8-09.
[3] Baldev Raj, C.V. Subramanian y T.Jayakumar, 2000, Non-Destructive Testing of Welds,
Alpha Science, Tamil Nadu.
[4] British Standard, 2005, Racing bicycles —Safety requirements, Inglaterra, BS EN 14781.
[5] XIANG Zhongxia, TIAN Guan, XU Wen, GUAN Xin, YU Xiaoran, 2011, “Load on
Bicycle Frame During Cycling with Different Speeds and Gestures”, Trans. Tianjin Univ.
2011, 17: 270-274 DOI 10.1007/s12209-011-1628-y, Tianjin.
[6] Robert C.Juvinal y Kurt M.Marshek, 2006, Fundamentals of Machine Component
Design, John Wiley and Sons,INC, USA.
[7] British Stainless Steel Association, 2016, BSSA, from:
https://www.bssa.org.uk/topics.php?article=104
39
10. ANEXOS
10.1 ANEXO 1: PLANOS DE TAPONES PARA ENSAYOS DE TENSIÓN
Figura 32: Plano del tapón para ensayos de tensión según norma ASTM E8-09
Figura 33: Plano del tapón para ensayos de tensión modificado para probetas TIGg.
40
10.2 ANEXO 2: TABLA DE RADIOGRAFÍAS
VISTA 1 VISTA 2
TIG
g 1
TI
Gg
2 TI
Gg
3
41
VISTA 1 VISTA 2
TIG
g 4
TI
Gg
5
TIG
p 1
Tabla 12: Radiografías de probetas TIGg.
42
TIG
p 2
TI
Gp
3
TIG
p 4
TI
Gp
5
Tabla 13: Radiografías de probetas TIGp.
43
VISTA 1 VISTA 2
MIG
s 3
M
IGs
4
MIG
s 5
44
VISTA 1 VISTA 2
MIG
s 6
M
IGs
7
MIG
a 3
Tabla 14: Radiografías de probetas MIGs.
45
MIG
a 7
M
IGa
4
MIG
a 5
M
IGa
6
Tabla 15: Radiografías de probetas MIGa.
