Diseño ANÁLISIS DE BICICLETA · dinámico previo de la bicicleta, el modelo se actualizo pera...

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II Conferencia Internacional de Usuarios de ANSYS

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Ingeniería, Desarrollo y Manejo de Información

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30, 31 de Octubre y 1 de Noviembre

ANÁLISIS DE BICICLETA(ANSYS-ADAMS Stress)

Carlos Franco Robledo

Engineering Consulting Division

Grupo SSC-EC



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CONTENIDO

Introducción

Objetivo

Razonamiento

Desarrollo del Diseño

Modelo Inicial

Modelo 2

Modelo 3

Modelo 4

Conclusiones



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INTRODUCCIÓN

El estudio de un cuerpo en movimiento difícilmente se pude comparar con el comportamiento que dicho cuerpo tiene si esta totalmente estático, las primeras interrogantes vienen a preguntas como:•¿Qué fuerzas hay que aplicar?

•Si el cuerpo se mueve, ¿Tienen influencia los efectos inerciales que se generan?

•¿En que puntos y en que direcciones hay que aplicar las cargas?

•¿Pruebo una condición que supongo es crítica, y construyo un modelo físico para ver si en realidad resiste?

•¿Cuántas --$$-- veces debo hacer?

Un punto primordial para la tarea de diseño es poder analizar este cuerpo bajo condiciones que se asemejen lo más posible a su ambiente de trabajo, es decir, a las cargas que pueden actuar sobre él durante su funcionamiento.



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OBJETIVO

Este trabajo se enfocó a realizar un estudio de los mecanismos principales de una bicicleta con sistemas de suspensión trasera y delantera. Mostrando la parte complementaría y de interfase que existe entre un modelo y las cargas que se deben aplicar.

•Se usará ADAMS, para permitir el estudio del comportamiento dinámico del sistema completo y la determinación de las fuerzas y aceleraciones que actúan en los componentes.

•Se usará ANSYS determinar el estado de esfuerzos al que esta sujeta la parte principal del mecanismo, dependiendo de las cargas calculadas en la simulación de ADAMS.

•Por ultimo, se mostrará además la aproximación dada por cada uno de los software en cuanto al estado de esfuerzos en el cuadro de la bicicleta, es decir los esfuerzos determinados por ADAMS y por ANSYS.



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RAZONAMIENTO

El estudio de la resistencia y rigidez de un cuerpo como lo veíamos, necesita del conocimiento de una historia temporal de los estados de carga va a soportar.

Por esa razón, es imprescindible efectuar una simulación ya sea FÍSICA ó VIRTUAL de todo un sistema completo. Para determinar en ocasiones el comportamiento de solamente un de los componentes, y asegurar con ello la robustez del diseño.

El desarrollo de un diseño o de un nuevo concepto que satisfaga alguna necesidad, se madura generalmente en una etapa iterativa, la cual requiere de estar evaluando diferentes alternativas para el producto.

La cuestión es como evaluar tales alternativas; de una manera FÍSICA ó VIRTUAL.........



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RAZONAMIENTO

ANSYS

ADAMS

ANSYS

ADAMS

Esfuerzo

ANSYS

Esfuerzo

ComparaciónDecisiones

Rediseño

CATIA

Fabricación

Virtual

PRODUCCIÓN



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MODELO INICIAL

El modelo que se muestra enseguida es del cual se partió para realizar el estudio de la bici, esta es la configuración del cuadro. El modelo esta hecho en ANSYS 5.7.

Elemento: Shell93

No. 3057

Elemento: Mass21

No. 4



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Dentro de ANSYS, se genera el archivo que contiene la información para crear en ADAMS un cuerpo flexible (.MNF). Debido a que se uso la versión 5.7 de ANSYS, el archivo no lleva información sobre esfuerzos.

El proceso seguido fue:•Elegir los puntos de unión.

•Seleccionar el número de modos a extraer.

•Correr el macro ADAMS.

MODELO INICIAL



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El modelo se debe completar con el resto de los componentes de la bicicleta para poder realizar la simulación en ADAMS, abajo se muestran dichos componentes a ensamblar al cuerpo flexible.

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MODELO INICIAL

Una vez ensamblado el modelo, se agrego peso tanto en la parte delantera como trasera (manubrio y asiento) para simular la carga de una persona. Se realizó una corrida en la cual la bici pasa por unos topes.



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MODELO INICIAL

Información

Este modelo se utilizo para calibrar la rigidez y amortiguamiento de los resortes en la suspensión, además de determinar las condiciones y grados de libertad requeridos por el modelo.

El siguiente paso fue agregar más detalle al modelo, incluyendo la simulación de una persona sobre la bicicleta.



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MODELO 2

Este segundo modelo se construyó usando como base el modelos previo de la bici, pero ahora se agregó un una cuerpo que simula a una persona, las características son aprox., altura de 1.70m y peso de 70kg.



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MODELO 2

El modelo se ensamblo y se realizo la simulación usando la misma trayectoria que la del modelo inicial.



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MODELO 2

En este modelo lo que se puede obtener de ADAMS, es la carga en los resortes de la suspensión, en los cuales las fuerzas oscilan en valores de entre 900 y 1000 N como máximo como se puede ver abajo.



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CONCLUSIÓN DE LOS DOS PRIMEROS MODELOS

En estos modelos únicamente se ha trabajado en el comportamiento dinámico del mecanismo, incluyendo cada vez un mayor detalle del sistema.

Lo que resta es pasar a una parte en la que podamos evaluar la resistencia de los componentes bajo las condiciones de carga que se generan durante el movimiento.

Así como evaluar el diseño, en este caso la bicicleta, bajo una condición más severa de carga.

El modelo también nos puede servir para observar el comportamiento de la persona bajo esta condición de carga.



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MODELO 3

El modelo siguiente, es la continuación del estudio dinámico previo de la bicicleta, el modelo se actualizo pera poder extraer de el una mayor cantidad de información.Se actualizo el cuerpo flexible; se uso la misma malla y puntos de unión que los modelos previos, pero en esta ocasión el modelo se generó usando ANSYS 6.1, lo cual nos abre la posibilidad de determinar esfuerzos y deformaciones en ADAMS, a través del modulo Flex y Durability.

Se liberó el modelo en la totalidad de los grados de libertad para hacer más real la trayectoria que debe cubrir.

La simulación resulto en una caída de la persona durante la trayectoria.



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MODELO 3

El modelo que se uso para generar el cuerpo flexible en ANSYS 6.1 es en siguiente:

Elemento: Shell93

No. 3057

Elemento: Mass21

No. 4

Material aleación de aluminio:

E = 73Mpa

Dens.= 2770Kg/m3



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MODELO 3

La complejidad del modelo se incremento bastante, y se puede ver en las partes que forman el ensamble del modelo. De igual manera para correr el modelo en ADAMS, se uso un Script para dictar los comandos durante la solución.



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MODELO 3

Durante el análisis se encontró que el punto durante la simulación que es critico para el modelo es en t = 1.7575 seg., que es el tiempo en el cual el esfuerzo alcanza su máximo valor.



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De acuerdo con la simulación, la combinación de cargas sobre el cuerpo flexible en t = 1.7575 seg. Representa la condición crítica y se encuentra en el nodo 1466.

MODELO 3



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MODELO 3

El valor del esfuerzo determinado por ADAMS, nos dice que es de 320 Mpa, lo cual esta por arriba de la resistencia de fluencia del material, que es de 296 Mpa.



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En ADAMS determinamos un paso de carga para ANSYS, para el tiempo de 1.7575 seg., y con ellos obtenemos un esfuerzo de 295 Mpa. (8.5 % de diferencia).

MODELO 3



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MODELO 3

Ambos resultados, en ADAMS, como en ANSYS dan el mismo nodo, 1466 del modelo.

La diferencia como vimos es de aprox. 8,5 % entre ambos, y la concentración del esfuerzo es debido a que el tubo del asiento no tiene continuidad.

Sin continuidad

Con continuidad



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MODELO 4

En este modelo final se da continuidad al tubo del asiento, así como reforzar esa zona del cuadro incrementando el espesor de las paredes del tubo.

Elementos: Shell93

No. 3172

Mass21

No.4



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MODELO 4

La complejidad es similar a la del modelo anterior. De igual manera que en el modelo previo, para hacer la simulación en ADAMS, se uso un Script para dictar los comandos durante la solución, y se modificaron las condiciones de la trayectoria.



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MODELO 4

La simulación de este cuarto modelo nos arrojo un resultado en ADAMS de los esfuerzos máximos para un tiempo de t = 1.73412 seg.



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MODELO 4

La combinación de las cargas para el tiempo t =1.73412 s, predice un esfuerzo de 138 Mpa en el nodo 12826, ubicado en la parte en donde se conecta el cuadro a los pedales.



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MODELO 4

Dentro de ADAMS, una grafica del comportamiento del esfuerzo en el nodo 12826 durante la simulación queda registrada como de muestra abajo.



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MODELO 4

Creando un paso de carga para en ADAMS, para el modelo de ANSYS, nos da el siguiente resultado para el nodo 12826.



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MODELO 4

En este caso la diferencia entre ambos resultados es de aproximadamente 2.9 %, los resultados son muy similares. Además, este valor esta por debajo del límite de fluencia del material del cuadro de la bicicleta.



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CONCLUSIÓN

Lo que se mencionó previamente para el desarrollo de un diseño, fue la necesidad de llevar a cabo una etapa iterativa con los conceptos que puedan ayudar y con ello, como una consecuencia, se requiere de evaluar de elguna manera esas alternativas y comenzar a elegir las que mejores resultados den para el producto.

El como evaluar esas alternativas puede marcar la diferencia entre disminuir el tiempo del ciclo de diseño, aumentar la calidad, reducir costos, y ganar mercado.

Una salida son las herramientas analiticas que ayudan a evaluar los diseños y dan soporte a los ingenieros en la generación de su propia tecnología.

Físico ó Virtual........



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Vista de Frente



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Vista de Tras

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