Simulación de vuelco con ansys
y ls-dyna de una superestructura de un autobús =
y su
incidencia en el área de supervivencia.
Simulation of overturning with ansys and ls-dyna of a superstructure of a bus and its
incidence in the area of survival.
Cesar Hernán Arroba Arroba.,
Manolo Alexander Córdova Suárez.,
Cristian German Santiana Espín.3, Gustavo
Efraín Carrera Oña.4
Abstract =
DOI https://doi.org/10.33262/cienciadigital.v3i4.2.1010
Survival space was studied in a section of the superstructure of the
Interprovincial Service Bus manufactured by Miral
Autobuses through software, Ansys and Ls-Dyna undergoing a rollover test.
First, the material used by Miral Autobuses was
characterized in the manufacture of the bus superstructure, determining
mechanical properties that are necessary for the Ls-Dyna software. Validati=
on
of results issued by Ls-Dyna was performed simulating the tensile, flexural,
and flexural tests of a section of the gantry and comparing with the result=
s of
physical tests performed on the universal machine.=
Methods: The study begins with the identification of the m=
aterials required by the manufacturer according to the norm Ecuadorian Tech=
nical Standard NTE INEN 1323: 2009 first revision “Automotive Vehicles. Bus=
Body Requirements”and then the rollover simulation was car=
ried out with the Ansys and Ls-Dyna software of a section of the bus supers=
tructure to determine if the survival space is invaded, finding improvement=
opportunities and subsequently performing a redesign of the superstructure=
and comply with Regulation No. 66 of the United Nations Economic Commissio=
n for Europe for the rollover test requirements prior to bus manufacturing<=
/span>
Results: From the
simulation of the rollover test of the superstructure section of the Miral Infiniti interprovincial bus in the initial Hin=
o Ak
chassis, it resulted in the survival space being invaded by 20.78mm. When
making the modification of the superstructure of: the height of the floor,
occupant capacity, distance between seats and dimension and location of the
skylights, the second simulation determines: an impact speed of: 7.18 m / s=
; an
angular impact velocity of 3.78 rad / s; distance between the survival space
and the superstructure with a maximum of 350mm at the start of the test does
not invade the survival space.
Conclution: With a modificati=
on of the superstructure and an expense of USD 3920, the superstructure with 4033 kg of total live load, an<=
span
style=3D'mso-bookmark:_Toc440896899'> aerodynamic drag of 251,015 kg,=
and a braking load of 4186 kg proposed for the Miral brand Infiniti model bus for Hino chassis Ak in=
the case of overturning resists without invading the survival space guaran=
teeing the safety of the occupants.
Keywords: Ansys, simulation, survival space, safety<=
/p>
Resumen
=
Se estudió el esp=
acio
de supervivencia en una sección de la superestructura del Autobús de servic=
io
interprovincial fabricado por Miral Autobuses
mediante el software, Ansys y Ls-Dyna
sometido a un ensayo de vuelco. Primero se caracterizó el material que util=
iza Miral Autobuses en la fabricación de la superestructu=
ra del
autobús determinando propiedades mecánicas que son necesarios para el softw=
are Ls-Dyna. Se realizó una validación de resultados emit=
idos
por Ls-Dyna simulando los ensayos de tracción,
flexión, y flexión de una sección del pórtico y comparando con los resultad=
os
de ensayos físicos realizados en la maquina universal. <=
/span>
Métodos: El estudio inicia con la
identificación de los materiales requeridos por el fabricante según la
normativa Norma técnica ecuatoriana NTE INEN 1323:2009 primera revisión
“Vehículos Automotores. Carrocerías de Buses Requisitos” y luego se efectuó=
la
simulación de vuelco con el software Ansys y Ls-Dyna de u=
na
sección de la superestructura del autobús para determinar si el espacio de
supervivencia es invadido, encontrando oportunidades de mejora y posteriorm=
ente
realizar un rediseño de la
superestructura y cumplir el Reglamento N° 66 d=
e la
Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa para los requerimientos del ensayo de vuelco pre=
vios a
la fabricación del autobús.
Resultados:<=
/span> De la simulación del ensayo de vuelco de la sección de la
superestructura del autobús interprovincial marca Mira=
l
Infiniti en chasis Hino Ak=
inicial dio como resultado que el espacio de supervivencia es invadido en
20.78mm. Al realizar la modificación de la superestructura de: la altura del
piso, capacidad de ocupantes, distancia entre asientos y dimensión y ubicac=
ión
de las claraboyas, la segunda simulación determina: una velocidad de impact=
o de:
7,18 m/s; una velocidad angular de impacto de 3,78 rad/s; distancia entre e=
l espacio
de supervivencia y la superestructura con un máximo de 350mm al inicio del
ensayo no invade el espacio de supervivencia.
Conclusión: Con una modificación de=
la
superestructura y un gasto de USD 3920, la superestructura con 4033 kg de c=
arga
total en vivo, una resistencia aerodinámica de 251,015 kg y una carga de
frenado de 4186 kg propuesta para el modelo de bus Inf=
initi
de la marca Miral para el chasis Hino Ak en el caso de un vuelco resiste sin invadir el esp=
acio
de supervivencia garantizando la seguridad de los ocupantes.
Palabras
Claves: A=
nsys
, simulación, espacio de supervivencia, seguridad<=
/p>
Introducción.
Las
actividades de transporte de personas determinan el uso de autobuses
interprovinciales que comúnmente sufren accidentes de tránsito con
consecuencias catastróficas para los usuarios (Robert Sentís, 2016). Es por esto que las normati=
vas de
construcción de las estructuras de los autobuses incluyen aparte del cumpli=
miento
de las normas de materiales el cumplimiento de ensayos de simulación para p=
oder
homologar las estructuras antes de salir al mercado y que son controlados p=
or
organismos competentes a nivel nacional e internacional(Mayanza Balla y Tuquinga Sagñay, 2018). Uno de esos ensayos es el e=
nsayo
de vuelco (Alcalá
Fazio, 1997).
En
los países de la Comunidad Europea, fue España uno de los primeros países en
establecer la obligatoriedad del e=
nsayo
de vuelco (Gómez,
2009) en la actualidad Ecuador también ha visto la
necesidad de realizar esta prueba en nuestro país. El ensayo de vuelco cons=
iste
en someter una volcadura del autobús en condiciones controladas para esto n=
o es
necesario que el autobús no esté
totalmente terminado, será representativo de la producción de vehículos en
cuanto a su masa en vacío en orden de marcha, centro de gravedad y distribu=
ción
de masas. El área de impacto será de cemento u otro material rígido =
(Donaire,
2016).(López
Ortiz, 2016)
Actualmente
está apareciendo reglamentación que impone requisitos a las estructuras y
sistemas de retención de los autobuses y autocares para garantizar la segur=
idad
de sus ocupantes. Este hecho está marcando de forma importante la evolución=
de
la seguridad pasiva de este tipo de vehículos. La reglamentación Europea es=
tá
consiguiendo que en los últimos años se hayan realizado numerosos avances en
seguridad que han conllevado la necesidad de estudios de investigación para
determinar los requisitos a imponer sobre los mismos (Gonzalez, 2010).
El
acondicionamiento del habitáculo resulta vital para garantizar la seguridad=
de
los ocupantes. Entre las medidas técnicas que suelen utilizar los fabricant=
es
para aumentar la capacidad de seguridad pasiva del habitáculo pueden citars=
e:
la concepción estructural que permita un amplio margen de supervivencia (Gomez
y Navarro, 2011), el equipamiento de los sistemas apropiados para =
la
sujeción de los ocupantes, la funcionalidad plena después del accidente, de=
los
elementos y conjuntos para la liberación de los ocupantes, la protección contra incendios, el sistema de fijación del parabrisas y=
la Anti-intrusión de piezas de la carrocería por el para=
brisas
y luna trasera.
El
espacio de supervivencia debe qued=
ar en
el compartimento de viajeros mientras se somete la superestructura a uno de=
los
ensayos de vuelco y después de dicho ensayo, también se
denomina el volumen que se obtiene=
n en
el compartimento de ocupantes desplazando en línea recta el plano vertical y
transversal. El espacio de supervi=
vencia
entre el plano más atrasado y el más adelantado del compartimento o
compartimentos de viajeros, del personal y del conductor es continuo y se
determina desplazando, por toda la longitud del vehículo, a lo largo de lín=
eas
rectas y a través de los puntos de Para simular el peor caso en un grupo de
tipos de vehículo y permitir futuros avances de diseño, el fabricante podrá
definir un espacio de supervivencia mayor de lo necesario para una disposic=
ión
de asiento determinada(Liu
et al., 2018).
Este trabajo
contempla la determinación de los factores preponderantes de la
superestructura, su mejora y la verificación de la invasión de la estructura
mejorada en el área de supervivencia utilizando el software Ansys
y Ls-Dyna (Ding et al., 201=
2).
MATERIALES Y MÉTODO
Comportamiento mecánico<=
/o:p>
El
estudio del comportamiento mecánic=
o de
una sección de la superestructura =
del
autobús interprovincial se realizó siguiendo el
diagrama de flujo del esquema 1.
Figura
1. Estudio del comportamiento mec=
ánico
de un autobús interprovincial
Materiales de la superestructura<=
/o:p>
La
superestructura del autobús está constituida de varios elementos, de difere=
nte
geometría, y sección destinada a soportar las diferentes cargas que actúan
sobre el autobús en su normal funcionamiento y en caso de un accidente (López Ortiz, 2016)
Capa=
cidad
de carga del autobús
La capacidad =
de
carga se determinó según la norma INEN 1323, 2009 ANEXO B. Según la regulac=
ión
nacional de transporte de pasajeros para
el servicio interprovincial=
no es
permitido transportar pasajero de pie y se considera el peso estimado por pasajero y el equip=
aje de
mano (Andrade García et al., 2012).
Determinación de la distribución de m=
asas
en puntos de apoyo del autobús
La
distribución de pesos en vacío que es soportado en cada uno de los neumátic=
os
que se consideran puntos de apoyo del autobús fabricado en chasis marca Hin=
o Ak
y con carrocería Modelo Infiniti de la cooperativa Santo Domingo, se realiz=
ó en
las instalaciones de BIOALIMENTAR en la balanza que se muestra utilizada pa=
ra
la recepción y despacho de productos destinados a la alimentación de animal=
es
domésticos.
Calculo
de la ubicación del centro de gravedad del autobús
La posic=
ión
del centro de gravedad del vehículo se determinará en condición de masa en
orden de marcha(Reglamento_n°_66_(CEPE/ONU), 2007=
).
Se entenderá por masa en orden de marcha la masa del vehículo, sin
ocupantes ni carga, la masa del combustible correspondiente al 90 % de la
capacidad del depósito especificada por el fabricante y en su caso, la masa=
del
refrigerante, el lubricante, las herramientas y la rueda de repuesto.<=
/o:p>
Posición
longitudinal del centro de gravedad
La posición longitudinal (l1) del
centro de gravedad se determina con la siguiente ecuación:
=
(EC.
1)
&nb=
sp;
Donde: <=
o:p>
l1 =3D posición longitudinal del=
centro
de gravedad.
L1=3D distancia entre ejes del
autobús.
l1=3D es la posición del centro =
de
gravedad en la posición longitudinal.
Posición
transversal del centro de gravedad del autobús
La posición transversal (t) del
centro de gravedad del vehículo en relación con su plano central longitudin=
al
vertical
<=
/span>
Se determina con la siguiente
ecuación:
=
(EC.
2)
Donde:
t =3D posición transversal del c=
entro
de gravedad
T1 =3D la distancia entre los ce=
ntros
de la rueda a cada extremo del primer eje.
T2 =3D la distancia entre los ce=
ntros
de la rueda a cada extremo del segundo eje.
Altura del transversal del centro de gravedad
La altura del centro de gravedad (h0) se determina=
rá
basculando el vehículo en sentido longitudinal y midiendo la carga en los
dos ejes. El ángulo de inclinación del ensayo de
basculamiento se determinará mediante la ecuación 3.
=
(EC.
3.)
Donde:
H =3D la diferencia de altura en=
tre
los dibujos de las ruedas del primer y segundo eje.
Angulo formado entre el plano horizontal=
y la
línea horizontal que se forma entre el eje delantero y posterior.
Verificamos la masa del vehículo=
de
acuerdo a la ecuación 4.
=
(EC.
4.)
Donde:
F1 =3D reacción de la carga bajo=
la
rueda izquierda del primer eje.
F2 =3D reacción de la carga bajo=
la
rueda derecha del primer eje.
F3 =3D reacción de la carga bajo=
las
ruedas izquierdas del segundo eje.
F4 =3D reacción de la carga bajo=
las
ruedas derechas del segundo eje.
=3D Peso=
total
del autobús =3D Ptotal.
La altura del centro de gravedad=
del
vehículo viene dada por:
=
(EC.
5.)
Donde:
r =3D la altura del centro de la=
rueda
en el eje delantero por encima de la superficie de la balanza.
Delimitación del espacio de supervivencia
El espacio de supervivencia se determinó acuerdo c=
on
el Reglamento n°66 CEPE/ONU, Homologación de vehículos de gran capacidad pa=
ra
el transporte de personas respecto a la resistencia mecánica de su
superestructura, define el perímetro del espacio de supervivencia del vehíc=
ulo
se determinará creando en el interior del autobús. El punto de referencia (=
Sr)
está situado en el respaldo de cada asiento exterior orientado hacia adelan=
te o
hacia atrás y a 150 mm de la superficie interior de la pared lateral.
Simulación del ensayo de vuelco de la sección de la
estructura
El
análisis se inicia dibujando la geometría de la sección de la superestructu=
ra
tomando en cuento todos los elementos que contribuyen en la resistencia de =
la superestructura.
Para determinar el centro de gravedad de la sección de =
la superestructura
se utiliza un software CAD. El ensayo en el
banco se inicia se realizara desde cuando la sección de la superestructura =
comienza
a impactar con el piso. El mallado y la calidad de la malla mostrada en la =
Figura 4.
Figura
=
4.
Malla de la sección de la estructu=
ra
(Fuente: El Autor)
RESULTADOS
Condiciones
de la superestructura
Se
determinó los siguientes parámetros de la superestructura luego de los cálc=
ulos
correspondientes utilizando las ecuaciones descritas.
Tabla 1. Condiciones
superestructura
|
Parámetro=
|
Valor
<=
/span>
|
|
Peso
total (kg)
|
1100,00
|
|
Posición
longitudinal del centro de gravedad (mm)
|
2990
,00
|
|
Posición
transversal del centro de gravedad (mm)
|
37,56
|
|
Altura
del transversal del centro de gravedad (mm)
|
200,00
|
|
Carga
uniformemente distribuida (kg/mm)
|
0,60
|
|
Mataerial
superestructura
|
Acero estructural ASTM A 500
|
<=
/p>
Simulación
con Solver de Ls-Dyna de vuelco de=
una
sección de la superestructura
Los resultados de la simulaci=
ón de vuelco
se observan en la figura 5.
|
|
t=3D0.0000s
|
t=3D0.0089s
|
t=3D0.017s
|
|
=
t=3D0.026s
=
<=
o:p>
|
=
t=3D0.035s
=
<=
o:p>
|
=
t=3D0.044s
=
<=
o:p>
|
|
=
t=3D0.054s
=
<=
o:p>
|
=
t=3D0.063s=
<=
o:p>
|
=
t=3D0.071s=
|
|
=
t=3D0.081s=
<=
o:p>
|
=
t=3D0.089s=
=
=
|
=
t=3D0.099s=
=
=
|
|
=
t=3D0.108<=
span
lang=3DES-EC style=3D'mso-ansi-language:ES-EC;mso-fareast-language:ES-E=
C;
mso-no-proof:yes'>
=
=
|
=
t=3D0.117s
=
<=
o:p>
|
=
t=3D0.126s
=
<=
o:p>
|
|
=
t=3D0.135s=
=
=
|
=
t=3D0.144s
=
|
=
t=3D0.153s
=
|
|
=
t=3D0.162s=
|
=
t=3D0.171s
=
|
=
t=3D0.180s
=
|
|
=
t=3D0.198s=
|
=
=
|
=
=
|
|
|
Invade la Superestructura del autobús el espacio de
supervivencia =
|
SI
|
Figura
5. Resultados de simulación condic=
iones
iniciales
Según el Solver de Ls-Dyna para el ensayo de vuelco de una
sección dela superestructura, muestra la distancia que existe entre el espa=
cio
de supervivencia y la superestructura con un maximo de 350mm al inicio del
ensayo y luego es invadido por la superestrcutura en 20.78 mm cuando la superestuctura impa=
cta al
piso y sufre su mayor deformación, invadiendo el espacio de supervivencia.<=
/span>
Simulación
con Solver de Ls-Dyna de vuelco de=
una
sección de la superestructura modificada
Luego de modificar la secciones de color verde que se mue=
stra
en la figura 5. Se realizó la nueva simulación determinando los valores de
la figura 6. Se consideró una estr=
uctura
con las siguientes características generales de fabricación. La estructura =
de
piso fabricado en tubería estructural cuadrado de 50x50x3mm correspondiente=
a
los tubos de que conectan el anclaje del chasis con el piso de la carrocerí=
a,
tubos cuadrados de 50x50X2mm que se utilizan en la parte intermedia del piso
entre los tubos de 50x50x3mm y canal u de 50x25x2mm correspondiente al teji=
do
del piso.
Las estructuras de laterales construidas en tubo cuadrado=
de
50x50x3mm y reticulado con tubo de 50x50x2mm y tubo de 40x40x2mm. El techo =
en
perfil cuadrado de 50x50x2mm, con y reticulado con perfil Z. La estructura =
del
frente y respaldo en tubería estructural cuadrada de 40x40x2mm 50x50x2mm,
25x25x2mm, elementos de refuerzo en perfiles de acero de 2mm de espesor. El
anclaje de la superestructura al chasis por medio de un arreglo perfil L
80x70x6mm y doble tubo 100x50x3mm, cada conexión con pernos de ½ in de diám=
etro
grado 8.
Figura
6. Área de supervivencia y secciones del b=
us
quepueden ser modificadas. (Fuente:=
El
Autor)
|
RESULTADOS DEL ENSAYO
|
|
t=3D0.0000s
|
t=3D0.0089s
|
t=3D0.017s
|
|
=
t=3D0.026s
=
<=
o:p>
|
=
t=3D0.035s
=
<=
o:p>
|
=
t=3D0.044s
=
<=
o:p>
|
|
=
t=3D0.054s
=
<=
o:p>
|
=
t=3D0.063s
=
<=
o:p>
|
=
t=3D0.071s
=
<=
o:p>
=
=
=
=
|
|
=
t=3D0.081s
=
<=
o:p>
|
=
t=3D0.089s
=
<=
o:p>
|
=
t=3D0.099s
=
<=
o:p>
|
|
=
t=3D0.108
=
<=
o:p>
|
=
t=3D0.117s
=
<=
o:p>
|
=
t=3D0.126s
=
<=
o:p>
|
|
=
t=3D0.135s
=
|
=
t=3D0.144s
=
|
=
t=3D0.153s
=
|
|
=
t=3D0.162s
=
|
=
t=3D0.171s
=
|
=
t=3D0.180s
=
|
|
=
t=3D0.198s
=
|
=
=
|
=
=
|
|
|
Invade la Superestructura del autobús el espacio de
supervivencia =
|
NO
|
=
Discusión.
La
simulación requiere mucho tiempo y de una computadora con un procesador
sofisticado para resultados rápidos.
Conclusiones
· =
La modifica=
ción
que se realizó en la superestructura ha mejorado el comportamiento de la mi=
sma
cumpliendo de manera satisfactoria el ensayo de vuelco, aumentado la seguri=
dad
del autobús. Los resultados muestran la distancia que existe entre el espac=
io
de supervivencia y la superestructura con un máximo de 350mm al inicio del
ensayo y un mínimo de 20.61mm cuando la superestructura impacta al piso y s=
ufre
su mayor deformación, sin invadir el espacio de supervivencia. EL costo total de la impleme=
ntación
determina un valor de 3920 USD.
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López Ortiz, S. A. (2016). =
Determinación de configuraciones estructural=
es de
un frente de autobús interprovincial y su incidencia en la resistencia al
impacto frontal mediante el método de elementos finitos.<=
span
style=3D'mso-bookmark:_ENREF_9'> Unive=
rsidad
Técnica de Ambato. Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica ….
Mayanza Balla, J. A=
. y Tuquinga Sagñay, G. P. (2018). Análisis del comportamiento termomecán=
ico de
la junta soldada tipo k, aplicada en la fabricación de carrocería de autobu=
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respecta a la resistencia de su superestructura Reglamento n° 66 de la Comisión Económica de las Naciones Unidas pa=
ra
Europa (CEPE/ONU).=
Robert Sentís, L. (=
2016). Salud laboral en conductores profesion=
ales
del transporte por carretera. Universitat Rovira i Virgili.
PARA
CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
Cañarte Alcivar, J., Jiménez García, V., Muñoz Puertas, J., L=
uzardo
Robles, A., & Delgado Villafuerte, J. (2019). Inmu=
nopatogenia
del psoriasis, evolución de la enfermedad, presentación clínica y tratamien=
to. Ciencia
Digital, 3(4.2), 73-85. https://doi.or=
g/10.33262/cienciadigital.v3i4.2.1010
El artículo qu=
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