����������������������������������������������������������������������������������

 

 

Optimizaci�n estructural y an�lisis a fatiga de una plataforma de cama alta para transporte de carga a granel mediante simulaci�n computacional

 

Structural optimization and fatigue analysis of a high-bed platform for bulk cargo transportation using computational simulation

 

Otimiza��o estrutural e an�lise de fadiga de uma plataforma elevada para transporte de carga a granel utilizando simula��o computacional

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: edwin.pozo@espoch.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 02 de enero de 2025 *Aceptado: 13 de febrero de 2025 * Publicado: �20 de marzo de 2025

 

         I.            Ingeniero Mec�nico, Mag�ster en Dise�o, Producci�n y automatizaci�n industrial Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Carrera de Ingenier�a Automotriz, Grupo de Investigaci�n GIEBI, Chimborazo, Ecuador.

       II.            Ingeniero Mec�nico, Mag�ster en Dise�o, Producci�n y automatizaci�n industrial Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Carrera de Ingenier�a Automotriz, Grupo de Investigaci�n GIEBI, Chimborazo, Ecuador.

      III.            Ingeniero Automotriz, Magister en Manufactura y Dise�o Asistidos por Computador, Ingeniero Automotriz, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Carrera de Ingenier�a en Mantenimiento Industrial, Grupo de Investigaci�n GIEBI, Chimborazo, Ecuador.

     IV.            Ingeniero Automotriz, Mag�ster en Dise�o Mec�nico, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Chimborazo, Ecuador.

Resumen

En el presente trabajo se realiz� el modelado y la simulaci�n de la estructura de una plataforma de cama alta para transporte de carga a granel, con el prop�sito de desarrollar una soluci�n estructural �ptima, de alta capacidad de carga y accesible en t�rminos de costos de fabricaci�n. El estudio tiene como objetivo proporcionar una referencia t�cnica �til para estudiantes y profesionales en proyectos similares. Se analizaron los componentes estructurales, las principales solicitaciones mec�nicas y los par�metros de dise�o relevantes para este tipo de sistemas. Se utiliz� el software ANSYS Workbench para simular condiciones reales de operaci�n y validar el dise�o ante las cargas normativas, incluyendo carga viva, sobrecarga, impactos y viento. El modelo consider� el comportamiento del acero A-36 ante esfuerzos de Von Mises y ciclos de fatiga mediante curvas S-N, permitiendo comparar el desempe�o de materiales y evaluar el factor de seguridad en zonas cr�ticas. Los resultados muestran que, si bien el dise�o propuesto cumple con los l�mites de deformaci�n permisibles, presenta regiones con factores de seguridad est�ticos inferiores al ideal, lo cual abre oportunidades para su optimizaci�n estructural. Esta investigaci�n destaca el potencial del an�lisis por elementos finitos en la mejora de estructuras de transporte pesado, tanto en funcionalidad como en econom�a y manufactura.

Palabras Claves: simulaci�n estructural, plataforma de carga, ANSYS, elementos finitos, an�lisis de fatiga, acero A-36, optimizaci�n estructural.

 

Abstract

In this work, the modeling and simulation of a high-deck platform structure for bulk cargo transportation was carried out, aiming to develop an optimal structural solution with high load capacity and affordable manufacturing costs. The study aims to provide a useful technical reference for students and professionals working on similar projects. The structural components, main mechanical stresses, and relevant design parameters for this type of system were analyzed. ANSYS Workbench software was used to simulate real-life operating conditions and validate the design under standard loads, including live load, overload, impact, and wind loads. The model considered the behavior of A-36 steel under Von Mises stresses and fatigue cycles using S-N curves, allowing for comparison of material performance and evaluation of the safety factor in critical areas. The results show that, although the proposed design meets the permissible deformation limits, it presents regions with lower-than-optimal static safety factors, which opens up opportunities for structural optimization. This research highlights the potential of finite element analysis for improving heavy-duty transport structures, both in terms of functionality and economics and manufacturability.

Keywords: structural simulation, loading platform, ANSYS, finite element analysis, fatigue analysis, A-36 steel, structural optimization.

 

Resumo

Neste trabalho, foi modelada e simulada a estrutura de uma plataforma alta para transporte de cargas a granel, com o objetivo de desenvolver uma solu��o estrutural �tima, com alta capacidade de carga e custos de fabrica��o acess�veis. O estudo tem como objetivo fornecer uma refer�ncia t�cnica �til para estudantes e profissionais em projetos semelhantes. Foram analisados ​​os componentes estruturais, as principais tens�es mec�nicas e os par�metros de projeto relevantes para este tipo de sistema. O software ANSYS Workbench foi usado para simular condi��es operacionais do mundo real e validar o projeto sob cargas regulat�rias, incluindo carga ativa, sobrecarga, impacto e cargas de vento. O modelo considerou o comportamento do a�o A-36 sob tens�es de Von Mises e ciclos de fadiga usando curvas S-N, permitindo a compara��o do desempenho do material e a avalia��o do fator de seguran�a em �reas cr�ticas. Os resultados mostram que, embora o projeto proposto atenda aos limites de deforma��o permitidos, ele apresenta regi�es com fatores de seguran�a est�tica abaixo do ideal, o que abre oportunidades para otimiza��o estrutural. Esta pesquisa destaca o potencial da an�lise de elementos finitos para melhorar estruturas de transporte pesado, tanto em funcionalidade quanto em termos de economia e capacidade de fabrica��o.

Palavras-chave: simula��o estrutural, plataforma de carga, ANSYS, elementos finitos, an�lise de fadiga, a�o A-36, otimiza��o estrutural.

 

Introducci�n

El dise�o y an�lisis estructural de sistemas de transporte de carga a granel constituye un desaf�o t�cnico relevante dentro de la ingenier�a mec�nica aplicada, debido a la necesidad de garantizar resistencia estructural, optimizaci�n de peso y cumplimiento normativo. En el presente proyecto, titulado Dise�o y Simulaci�n de un Transporte de Carga a Granel, se lleva a cabo un estudio investigativo que abarca desde la selecci�n adecuada de perfiles estructurales hasta la elecci�n del material �ptimo, priorizando el uso de acero estructural por sus propiedades mec�nicas y disponibilidad en el sector industrial.

El desarrollo metodol�gico se apoya en herramientas bibliogr�ficas especializadas y en la aplicaci�n de tecnolog�as de an�lisis asistido por computadora (CAE), particularmente el M�todo de Elemento Finito (MEF), reconocido por su eficacia en la simulaci�n del comportamiento estructural bajo diversas condiciones de carga. Este enfoque permite evaluar con precisi�n tanto el desempe�o estructural est�tico como la resistencia a fatiga, siendo el an�lisis est�tico el eje central de esta investigaci�n.

Para establecer las condiciones de carga y validar el dise�o conforme a los requisitos normativos, se ha recurrido a la normativa ecuatoriana NTE INEN 1323 [1]� , la cual regula el dise�o de carrocer�as de veh�culos y recomienda el uso del m�todo de c�lculo LDFR (Load and Resistance Factor Rating), una t�cnica que presenta ventajas significativas en la estimaci�n de cargas vivas y muertas. Esta norma proporciona adem�s criterios de selecci�n de materiales, orientando hacia el uso de acero A-36 como opci�n preferente por su resistencia y ductilidad [2], Adicionalmente, el dise�o se ha contextualizado en el tipo de veh�culo sobre el cual se monta la plataforma, espec�ficamente un cami�n de dos ejes para carga a granel, clasificado conforme a la NTE INEN 2656 como veh�culo de categor�a N2, es decir, veh�culos de transporte de mercanc�as con masa m�xima superior a 3.5 toneladas e inferior a 12 toneladas [3].

En conjunto, este trabajo tiene como finalidad demostrar la viabilidad estructural del dise�o de una plataforma de carga mediante la aplicaci�n del MEF en ANSYS Workbench, bajo el m�dulo Static Structural, y su modelado param�trico en SolidWorks. El objetivo final es validar, a trav�s de simulaci�n num�rica, un dise�o eficiente que cumpla con las condiciones de servicio reales, normas t�cnicas nacionales y criterios de optimizaci�n estructural.

 

Materiales y M�todos

Cargas que act�an en la estructura

Para dise�ar nuestra plataforma es necesario conocer claramente las cargas que act�an en la misma y saber si ser� capaz de resistir o no. Cada una de estas cargas deben ser calculadas mediante c�lculos para que posteriormente se proceda a determinar los esfuerzos y las deformaciones. Por lo tanto, las cargas que influyen en el dise�o son las siguientes:

a.       Carga muerta

Este tipo de cargas se refiere al peso propio de toda la estructura y sus elementos, �sta la podemos determinar mediante un an�lisis en el software SolidWorks, conociendo los perfiles que conforman la estructura. Dentro de las propiedades f�sicas de la estructura calculamos un valor de 3031.03 kg que al multiplicarlo por la gravedad se tiene:

Sin embargo, para la simulaci�n los efectos del peso propio se har�n presentes al activar la gravedad en el an�lisis.

b.      Carga viva

Esta carga es determinada por medio de normativas, debido a que se requiere el peso permitido m�ximo de la carga a transportar seg�n el tipo de transporte. Aqu� hay que tener en cuenta tanto la carga de transporte como un exceso de esta para mantener un factor de seguridad. [4]

�Con la ayuda de la tabla nacional de pesos y dimensiones emitida por parte del MTOP (Ministerio de Transporte y Obras P�blicas) se seleccion� el transporte 3-A, para lo cual, en la Tabla 1se muestran las caracter�sticas que se deben cumplir para este tipo de transportes:

 

Tabla 1

Dimensiones y peso de un cami�n de 3 ejes

 

Como podemos visualizar, este tipo de transporte cuenta con un peso m�ximo permitido de 27 toneladas. Ahora bien, este valor de masa debemos transformarlo en un valor de presi�n ya que para la aplicaci�n en el software estar� afectando las caras superiores de la estructura, por ende:

Donde:

�Presi�n de carga

�Carga total

�gravedad

�rea de aplicaci�n de la presi�n

Para los siguientes c�lculos a realizar el �rea ser� la misma la cual se ha obtenido mediante SolidWorks, as� como se muestra en la Figura 1.

 

Figura 1. �rea de aplicaci�n de presiones

 

 

Sobre carga

La sobrecarga permitida es del 10% de la carga a transportar, para este c�lculo tenemos lo siguiente:

 

 

Nuevamente debemos transformar este valor de masa en una presi�n, por ende:

 

Donde

�Presi�n de sobrecarga

 

c.       Carga de impacto

Durante el movimiento, la plataforma de cama alta est� sujeta a cargas de impacto causada por la superficie irregular de la carretera. Para dicho efecto la AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) proporciona que la carga de impacto debe tener un valor m�ximo del 30% de la carga de transporte, para ello:

 

Transformando a presi�n:

 

d.      Carga de viento

Este tipo de carga tambi�n llamada resistencia aerodin�mica, mientras m�s alta sea la velocidad de circulaci�n mayor ser� la resistencia existente, para calcular este valor tenemos la siguiente formula:

 

Donde

�Resistencia aerodin�mica, [N]

�Coeficiente aerodin�mico del veh�culo

�Densidad del aire en [𝐾𝑔/𝑚³]

�Velocidad del veh�culo [m/s]

�Superficie frontal del veh�culo, en [𝑚²]

 

Para el coeficiente aerodin�mico () tenemos valores de 0.3 hasta 0.8 para camiones, si son cargas m�s voluminosas se puede llegar hasta valores de 1.3, este �ltimo valor ser� aceptado para obtener valores de simulaci�n cr�ticos.

La densidad del aire es de , para la velocidad de circulaci�n del veh�culo el l�mite es de , esto equivale a , para la superficie frontal del veh�culo se ha seleccionado un valor promedio de �de largo por �de ancho.

 

Para obtener el valor de presi�n despreciamos el �rea del cabezal:

 

e.       Cargas en el plato de giro

El King pin se encuentra en el centro del plato de giro, este soporta diferentes cargas, tanto verticales como horizontales.

Cargas verticales

Estas cargas se presentan en la parte superior de la placa, las cuales deben ser del 47% de la carga viva total que soporta la estructura por ello:

 

 

Para transformar a un valor de presi�n necesitamos el valor del �rea de la cara superior del King pin.

 

Figura 2. �rea de la cara superior del King pin

 

Como se puede visualizar en la Figura 2, se tiene un �rea de

 

 

Cargas horizontales

Las cargas horizontales o de arrastre deben ser el doble de la carga viva total, por ende:

 

El valor del �rea del lateral de la placa es de

 

Figura 3. �rea lateral del King pin

Pasando a presi�n, tendr�amos lo siguiente:

 

 

f.        Dise�o de la Estructura

El dise�o CAD de la plataforma se realiz� en el software SolidWorks. Iniciamos con la generaci�n de la geometr�a de la estructura de cama alta, esta debe ser realizada correctamente para que en el an�lisis de simulaci�n se pueda obtener resultados �ptimos. Como se puede visualizar en la figura, la geometr�a se realiz� mediante l�neas, las cuales representan el eje principal de todos los perfiles estructurales que se asignen a nuestro dise�o. Este tambi�n consta con las dimensiones previamente analizadas del MTOP.

Figura 4. Geometr�a de l�neas de la estructura cama alta

 

Es importante tambi�n, verificar que cada una de estas l�neas este unidas entre s�, para que al momento de asignar cada uno de los perfiles no arroje ning�n error en la simulaci�n.

g.      Selecci�n de los Perfiles

Los perfiles dise�ados para asignar a nuestra estructura fueron tomados en su mayor�a del cat�logo de DIPAC. Se dise�� perfiles laminados IPE y perfiles estructurales canal U. Ahora bien, a continuaci�n, se muestra la Tabla 2 y Tabla 3, en donde se encuentran cada uno de los perfiles con sus respectivas dimensiones para cada elemento que conforma la estructura. [5]

 

Tabla 2

Dimensiones de perfiles laminado ipe

 

Tabla 3

Dimensiones de perfiles estructurales canal u

 

Uno de los elementos que tambi�n ha sido dise�ado es el plato de giro, mismo que se encuentra en la parte inferior del frente del chasis, este cuenta con dimensiones de 1110 mm de ancho para que las vigas principales puedan apoyarse sobre la misma y 1500 mm de longitud. Por otra parte, esta placa tiene una peque�a perforaci�n circular de 200 mm de di�metro para que el King pin pueda ser instalado.

Cada uno de los elementos presentados anteriormente anteriores ayudaran a que la estructura sea estable, brindando mayor rigidez a la misma con el fin de que esta sea segura al momento de transportar cargas a granel.

h.      Asignaci�n de perfiles

Teniendo todos los perfiles dise�ados procedemos a asignar a cada una de las l�neas de la geometr�a realizada, tomando en cuenta que deben permanecer alineados de forma sim�trica. Teniendo como resultado nuestro dise�o de la estructura de la plataforma de cama alga, tal como se muestra en la Figura 5.

 

Figura 5. Asignaci�n de perfiles a la plataforma de cama alta

 

Modelado en Software ANSYS

a.       Material ACERO A-36

En la fabricaci�n de la estructura se debe tomar en cuenta las propiedades d�ctiles del material que normalmente se trata de uno met�lico tal como dicta las normas internacionales, por lo tanto, se ha seleccionado el Acero A-36 que contiene propiedades tanto de M�dulo de Young como de densidad �ptimos para este dise�o.

En el m�dulo de Engineering Data, se crea dicho material y seleccionamos todas las propiedades que se requiere. Posteriormente todas estas propiedades deben ser ubicadas en la casilla correspondiente, teniendo en cuenta que estas se derivan al ser un material isotr�pico el�stico, tambi�n, como se va a realizar un an�lisis a fatiga, un factor importante para el mismo es la curva S-N y otro aspecto importante es el esfuerzo a la tracci�n que nos permitir� determinar tanto el factor de seguridad como otros estudios est�ticos.

 

Figura 6. Propiedades f�sicas y mec�nicas del acero A-36

 

La curva S-N abarca tanto el n�mero de ciclos que soporta el material, as� como los esfuerzos que se presentan, por lo tanto, la curva elaborada se ha empleado mediante una tabla en donde se aplica el radio como un valor unitario para que esta no se distorsione. Cabe recalcar que la escala utilizada es logar�tmica puesto que se trata de valores muy altos, en la Figura 7 podemos visualizar los mismos.

 

Figura 7. Valores de curva S-N para estudio a fatiga

 

Con estos valores, la curva que se ha generado la visualizamos en la Figura 8.

Figura 8. Curva S-N del acero A-36

 

Una vez determinado el material estructural, en el m�dulo de ANSYS �Model� se establecen los primeros refinamientos de la estructura como por ejemplo se ha empleado un Virtual Topology y consecuentemente Virtual Cell que nos permitir� unir caras que deber�an ser una sola y poder aplicar las cargas establecidas.

b.      Restricciones y cargas aplicadas en la estructura

Algunas de las restricciones m�s importantes son los soportes que se aplican, en el caso de las vigas principales tenemos restricciones de desplazamiento en los ejes �puesto a que estos elementos se sujetan a la estructura en general.

Otra restricci�n importante se refiere a los desplazamientos en las vigas de contorno, los cuales deben tener un libre desplazamiento respecto al eje Y para determinar la deformaci�n que se suscita en dichas vigas.

Por otra parte, las cargas antes calculadas ser�n aplicadas en nuestra estructura, cada una se aplica en los diferentes elementos analizados anteriormente, como en las vigas principales, en los contornos, as� tambi�n en la talanquera y plato de giro. A continuaci�n, en la Figura 9 se muestra todos los aspectos correspondientes a las restricciones ya sea de movimientos en las componentes de la plataforma tanto como cada una de las cargas, mismos que corresponden al buen funcionamiento de la estructura y basado en un modelo cercano al real.

Figura 9. Cargas y soportes aplicados en la plataforma

 

Resultado y Discusi�n

Mallado de la Estructura

La generaci�n de la malla se estableci� mediante varias mejoras, puesto que, al ser elementos s�lidos y muy grandes, estos presentan variaciones en la geometr�a de la malla. Entonces se estableci� lo siguiente:

Un Body Sizing en la parte de la cama de la plataforma, es decir, en las vigas principales que son establecidas para los soportes de las cargas.

Se estableci� un M�todo tetra�drico con un Pathc Conforming para establecer el tama�o de la malla que sugiera el software, esto en las vigas principales de soporte de cargas, puesto que se pueden presentar puntos de singularidad presentes por los cambios de energ�a bruscos.

Con estos par�metros se obtiene la siguiente malla como se puede visualizar en la Figura 10.

 

Figura 10. Malla generada

 

La calidad de malla generada se la muestra en la Figura 11

Figura 11. Valores de calidad de malla seg�n evaluador Element Quality

 

De acuerdo con el an�lisis realizado, tomamos en cuenta el primer punto del an�lisis referido a la calidad de mallado presentado, teniendo en cuenta los evaluadores de malla conocido y en especial el utilizado com�nmente que es el Evaluador Element Quality, se puede mencionar que la malla queda relativamente por debajo de los par�metros �ptimos, como se muestra en la Figura 45. De acuerdo con este evaluador se compara lo siguiente:

 

Tabla 4.

Evaluador de malla y comparaci�n

 

Se observa que el valor promedio de la malla es aproximadamente el valor m�nimo establecido por el evaluador, entonces los resultados ser�n cercanos a los reales.

Se podr�a decir que la calidad de malla es de buena calidad, pero con tendencias a mejorarla, el punto m�s bajo de este como se mencion� es nuestro promedio establecido por el evaluador de malla Element Quality, pero tambi�n es posible validar los datos obtenidos mediante el an�lisis de convergencia.

Analisis de convergencia

Para una validaci�n de datos tambi�n hacemos uso de un an�lisis de convergencia, esta nos muestra varias curvas que lo que pretende es estabilizarse seg�n cambiemos la malla o el m�todo de mallado, se tiene lo siguiente:

 

 

 

 

 

 

Tabla 5

Datos para analisis de convergencia

Mallado (mm)	Nodos	Deformaci�n M�xima (mm)	Esfuerzo m�ximo (Mpa)	Factor de seguridad est�tico	Factor de seguridad a fatiga
50	22816	4,865	793,07	0,27355	0,20175
40	35704	4,8271	1649,5	0,15156	0,096999
35	41817	4,6308	1103,8	0,22649	0,14495
30	54585	9,7146	2018,5	0,12385	0,079266
20	12677	15,6598	3156,2	0,098569	0,028569
14	27521	19,288	3679,1	0,067951	0,043489

 

 

 

 

 

 

 

 

Obteniendo las siguientes gr�ficas

 

Figura 12. Gr�fica de convergencia en deformaci�n total

 

Figura 13. Grafica de convergencia en esfuerzo m�ximo

Figura 14. Gr�fica de convergencia en Factor de seguridad

 

Figura 15. Gr�fica de convergencia en Fatiga

 

Las gr�ficas mostradas de convergencia muestran la tendencia a estabilizarse cada una de las curvas, teniendo en cuenta que en la deformaci�n no se tiene mayor cambio cuando se hace el afinamiento de malla, este dato tiende a subir un peque�o grado, pero nada significativo, de igual forma el esfuerzo m�ximo tiene similitud a lo mencionado anteriormente, teniendo as� respuestas muy cercanas y allegadas a lo real.

En cuanto al an�lisis de convergencia para el Factor de seguridad y Fatiga, estos tienden a estabilizarse, pero bajando su magnitud, la curva muestra esta tendencia sin mayores cambios pero que se deben de tomar en cuenta para su validaci�n, como se sabe menor tama�o de malla no implica mejores resultados o malla.

 

 

Deformaciones Totales

Los resultados obtenidos en el an�lisis de la estructura de una plataforma contienen valores de varios fen�menos ingenieriles dentro de los m�s importantes est� la deformaci�n total, donde se observa en las Figuras 12 y 13,� que las vigas principales y en donde se ha aplicado la mayor�a de las cargas tanto vivas como muertas tiene un valor en mil�metros bajo con respecto a la longitud total de esta, el valor de desplazamiento m�ximo es de 4.6308 [mm], en el otro extremo tenemos la deformaci�n nula que sufren las vigas laterales ubicadas en la parte trasera, puesto que las cargas en estos puntos no tienen mayor magnitud y lo que ayuda a la din�mica del veh�culo pues el peso en bruto se concentrar� en el centro de gravedad.

 

Figura 16. Deformaci�n total de la estructura - Valores m�ximos y m�nimos

 

Figura 17. Deformaciones totales

 

Es este caso se puede hacer una validaci�n clave sobre la cantidad de desplazamiento permitido en la construcci�n de estructuras en acero que se relata en [2] y en [1], en donde nos establece que este desplazamiento permitido no debe exceder la , con lo que obtenemos que:

 

 

 

Tabla 6

Deformaci�n permitida en carrocer�as vs deformaci�n m�xima determinada.

 

Por lo tanto, se puede decir que la deformaci�n determinada en el presente estudio cumple de manera satisfactoria dicho aspecto.

Esfuerzo equivalente de Von Misses

Al ser la estructura tratada como elementos s�lidos, el esfuerzo de Von Misses tiene una gran relevancia, por lo tanto, este equivalente se ve reflejado en toda la estructura como se muestra en la Figura 14, siendo el valor m�ximo de

 

Figura 18. Esfuerzo equivalente de Von Misses

 

Esfuerzo principal m�ximo

En la Figura 15 se observa que este tipo de esfuerzo tiene grandes variaciones en cuanto los elementos se encuentran a tensi�n o compresi�n, por lo tanto, el rango de esfuerzos va de un valor negativo como m�nimo a uno positivo como m�ximo.

Figura 19. Esfuerzo principal m�ximo

 

Error estructural

En cuanto al error estructural se puede mencionar que la escala establecida por el software es relativamente baja, estos cambios de energ�a como bien se sabe est�n provocados por los puntos de singularidad presentes, teniendo un valor m�ximo de , lo cual corresponde al cambio brusco de energ�a expuesto en dichos puntos, pero en general el promedio establecido no excede magnitudes altas.

 

Figura 20. Error estructural

 

Factor de seguridad est�tico

En este aspecto debemos se�alar que el valor m�nimo de esto se ha dado en los puntos donde el

cambio de energ�a es muy alto, es decir, en puntos de singularidad principalmente en las uniones de las vigas principales que son las que mayormente est�n sometidas a cargas tanto vivas como muertas.

Figura 21. Factor de seguridad est�tico

 

Este factor de seguridad analizado tiene valores muy bajos en dichos puntos de singularidad, este valor corresponde a 0.227, lo que representa un factor que manifestar�a un fallo a la estructura, si tomamos en cuenta descartar dichos puntos este factor se elevar�a teniendo as� valores que no impliquen fallos.

Ahora bien, la norma nos muestra valores en el rango de �para elementos a tensi�n y �para elementos a compresi�n, con lo cual omitiendo los puntos de singularidad que se presentan en las uniones de algunas vigas este valor m�nimo alcanza lo establecido y adem�s sobrepasa en la mayor�a de las componentes.

Vida a Fatiga

El an�lisis de fatiga establecido en el estudio nos permite conocer el n�mero de ciclos capaz de soportar la estructura, teniendo en cuenta que si el valor es igual a �esta se interpreta como vida infinita, observamos que el resultado sobrepasa lo establecido en su mayor parte, por lo tanto, tiene una alta resistencia a fatiga a excepci�n de algunos puntos.

 

Figura 22. Vida a fatiga de la estructura

 

 

Da�o a Fatiga

El �ltimo factor calculado es el da�o que se produce en la estructura, la mayor parte de esta no sufre ning�n dipo de da�o o da�os muy bajos en los ciclos mostrados. por tanto, recalcamos la resistencia a fatiga determinada por la estructura el material utilizado.

 

Figura 23. Da�o a fatiga de la estructura

 

Ahora bien, en la Tabla 4 se presentan cada uno de estos valores obtenidos por medio de la simulaci�n en el software de ANSYS.

 

Tabla 7

Resultados obtenidos

En general el estudio realizado tiene varios factores a analizar, el primer punto se refiere a lo establecido en normas de acuerdo con las cargas que se proyectan dentro de este tipo de estructuras siguiendo la gu�a mostrada en [1] y sus lineamientos con el m�todo LFRD que representa una mayor aceptaci�n de resultados, se puede mencionar que cada una de estas se ha cumplido satisfactoriamente, todo esto reflejada en el apartado de materiales y M�todos.

Para el correcto funcionamiento de la simulaci�n establecida en el software ANSYS se puede mencionar que la calidad de malla puede ser adaptada de manera satisfactoria, tomando en cuenta que el costo computacional de este arreglo ser� muy alto y por tanto requiere de mejores computadores.

Uno de los puntos d�biles del estudio se refiere a la poca o escasa cantidad de normativa elaborada o redactada en el pa�s, las gu�as utilizadas corresponden a normas internacional y adem�s de carrocer�as de buses urbanos. La limitaci�n tambi�n se debe al costo de estas.

El problema en general se lo debe de establecer mediante an�lisis de componentes por separado, como se menciona anteriormente el costo computacional es grande y lo m�s factible es la divisi�n de componentes y su respectivo an�lisis.

 

Conclusiones

En funci�n del dise�o propuesto y la metodolog�a aplicada en ANSYS, se ha logrado caracterizar el comportamiento estructural bajo condiciones de carga muerta y carga de viento. Para la simulaci�n de la carga muerta se activ� el factor de gravedad considerando �nicamente el peso propio de la estructura, excluyendo componentes adicionales como ejes y ruedas, lo cual permiti� establecer una l�nea base para posteriores comparaciones con cargas din�micas externas, como el viento. En este �ltimo caso, se aplic� una carga de presi�n sobre la parte inferior del plato de giro, tomando como referencia un cabezal est�ndar.

Durante el proceso de mallado, se utiliz� un enfoque de elementos tetra�dricos con el m�todo Patch-Conforming, segmentando el modelo con slicing de 14 mm. Sin embargo, la calidad del mallado se vio comprometida por limitaciones en la capacidad computacional, lo que impidi� alcanzar una mayor refinaci�n sin extender significativamente los tiempos de simulaci�n.

El an�lisis estructural arroj� un factor de seguridad est�tico bajo, atribuible principalmente a una inadecuada selecci�n del material, cuyas propiedades no se ajustan a los requerimientos mec�nicos de la estructura analizada. Por otro lado, el factor de seguridad a fatiga fue consistentemente menor que el est�tico, obteni�ndose a trav�s de la curva S-N, en la que se defini� un radio de 1 para evitar distorsi�n de la respuesta.

Se realiz� la validaci�n normativa mediante las directrices del Ministerio de Transporte y Obras P�blicas del Ecuador (MTOP, 2012) y la norma ISO 668, garantizando la pertinencia regulatoria del dise�o.

Finalmente, el an�lisis de convergencia evidenci� una estabilizaci�n progresiva en las gr�ficas de nodos vs. deformaci�n m�xima y nodos vs. esfuerzo m�ximo, que mostraron tendencias crecientes hacia una soluci�n confiable. Por otro lado, las gr�ficas de nodos vs. factores de seguridad (est�tico y de fatiga) presentaron convergencia decreciente, lo cual es coherente con la naturaleza conservadora del modelo bajo refinamientos sucesivos.

 

Referencias

1.      NTE INEN, NTE INEN 1323 Veh�culos Automotores. Carrocer�as de Buses. Requisitos, Quito: Norma T�cnica Ecuatoriana, 2009.

2.      AHMSA, Manual de dise�o para la construcci�n con acero, M�xico: Altos Hornos de M�xico, 2013.

3.      NTE INEN, NTE INEN 2656 Clasificaci�n Veh�cular, Quito: Norma T�cnica Ecuatoriana, 2016.

4.      MTOP, Decreto Ejecutivo No. 1137, Quito, Pichincha: Ministerio de Transporte y Obras P�blicas, 2012.

5.      DIPAC, �Cat�logo General de Productos,� 2020. [En l�nea]. Available: https://www.dipacmanta.com/Catalogos-descargas/catalogo-2020.pdf.

6.      ERP Safla, SMA Arroba, GGN Andrade, EAC Guevara �Simulaci�n de esfuerzos mec�nicos sobre las f�rulas para miembros superiores�. ConcienciaDigital. (2020)

7.      M Aquino, I Caicedo, J Bu�ay, E Pozo �Estudio de dise�o �ptimo de una f�rula de miembro inferior con patrones de distintas geometr�as� Polo del Conocimiento. (2022)

8.      ERP Safla, SMA Arroba, MAO Vi��n, �Ampliaci�n de la realidad virtual en el mecanizado mediante torno CNC de un pe�n de ajedrez� Polo del Conocimiento: Revista cient�ficoprofesional. (2021)

9.      LPT P�rez, SMA Arroba, ERP Safla, ESC Rivera, �Modelaci�n matem�tica para el dise�o mec�nico de una plataforma autocargable�. Ciencia Digital. (2019)

10.  M P�rez Bayas, G Novillo Andrade, SM Aquino Arroba, �Kinetic Analysis Of An Ankle Rehabilitator Composed Of Two Parallel Delta Robots�. Universidad Tecnol�gica de Panam�. (2018)

11.  E Granizo, F Escudero, R Pachacama, M Aquino, E Lozano, �Optoacoustic effect analysis by FEM� AIP Conference Proceedings. (2018)

12.  MAO Vi��n, SMA Arroba, LSO Cantos, ERP Safla, EAJ Dominguez, �Modelizaci�n CFD para determinar el comportamiento del fluido en tuber�as de PVC�. Dominio de las Ciencias. (2018)

13.  S Choto, M Aquino, E Pozo, M Ord��ez, G Novillo, G Mi�o, M Escobar �Modelaci�n y simulaci�n por vol�menes finitos de un impulsor de una bomba centr�fuga�. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo. (2017)

14.  CIP Tubon, ERP Safla, SMA Arroba �An�lisis de lesiones en el conductor para impactos frontales por simulaci�n computacional� Polo del Conocimiento. (2022)

15.  MH Freire-Quintanilla, SM Aquino-Arroba, SM Yupangui-Yupangui "Simulaci�n del Impacto Frontal para una Carrocer�a de Autob�s�. Polo del Conocimiento para Determinar los Niveles de Seguridad. (2022)

16.  MH Freire-Quintanilla, SM Aquino-Arroba, SF Mart�nez-Flores �An�lisis de Impacto Frontal, Lateral y Posterior de un Chasis Tubular Tipo Formula Sae, para Determinar los Niveles de Seguridad� Polo del Conocimiento. (2022)

17.  OF Balseca-Sampedro, SM Aquino-Arroba, SW Chela-Hinojosa, �Dise�o de un prototipo de reactor de pir�lisis t�rmica para la descomposici�n y aprovechamiento de residuos pl�sticos fabricados a partir de: PP, PE, Y PS� Polo del Conocimiento. (2021)

18.  CZ Oliva, ET Tamayo, AO Pazmi�o, ER Pozo, MA Ordo�ez, SM Aquino, �Mathematical modeling of the coal activation process in rotary cylindrical kiln� (2019)

19.  P Tierra, M Aquino, E Pozo, J Jaramillo, �Simulaci�n matem�tica de pruebas de impacto entre diferentes materiales, por medio de software para an�lisis no lineales� Dominio de las Ciencias. (2020)

20.  JIC Reyes, JSB Guam�n, SMA Arroba, �An�lisis del comportamiento pl�stico del acero 1020 mediante ensayos de tracci�n� Polo del Conocimiento: Revista cient�fico-profesional. (2020)

21.  SM Aquino-Arroba, MH Freire-Quintanilla, MA Ordo�ez-Vi�an, �Dise�o y manufactura asistida por computadora en la fabricaci�n de la� Kaplan Turbine Blade� Polo del Conocimiento. (2019)

22.  M�E Guachambala, SMA Arroba, ERP Safla, LSC Chariguaman, �Tecnolog�a CAD CAM aplicada al dise�o de robots de batalla� Ciencia Digital. (2019)

23.  M�E Guachambala, SMA Arroba, ERP Safla, LSC Chariguaman, �Determinaci�n de los par�metros de dise�o, manufactura y producci�n de sellos en pl�stico�. Ciencia Digital. (2019)

24.  SMA Arroba, LPT P�rez, ERP Safla, ESC Rivera, �Modelaci�n Matem�tica para la Din�mica de Mecanismos Hidr�ulicos Tipo Tijera�. Ciencia Digital. (2019)

 

 

 

 

 

 

 

 

� 2025 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).