El Tecnológico de Virginia Usa Modelos de Elemento Finito para

El Tecnológico de Virginia Usa Modelos de Elemento Finito para Predecir las Cargas y
Confiabilidad en un Vehículo Formula SAE.
Un sistema de suspensión de un vehículo de carreras es una conexión estructural elástica que define muchas de las
características de conducción del carro de carreras mientras es sometido a escenarios de carga complejos. El equipo
Formula SAE del Tecnológico de Virginia utiliza ABAQUS para determinar el conjunto de cargas en la suspensión y la
confiabilidad, para diseñar un sistema de suspensión seguro y efectivo.
Un modelo de elemento finito (FEM) en ABAQUS fue desarrollado para la esquina frontal derecha de la suspensión para
determinar el conjunto de cargas en la suspensión y la confiabilidad de esta misma. El modelo de elemento finito fue
inicialmente desarrollado con elementos viga, permitiendo cargas axiales, de flexión y torsión, y elementos de conexión para
representar los grados de libertad cinéticos en las articulaciones. Los miembros soldados del control de brazos en la parte
superior derecha, soportes simplificados de montaje de la varilla de tracción en el control de brazo superior y la varilla de
viraje fueron también representados. La varilla de tracción acciona el amortiguador de resorte a través de la manivela
acodada hacia el ensamble de la llanta, previamente montado en la parte superior derecha. El modelo frontal utilizo varios
diseños de casos de cargas, mostrando cargas axiales reducidas y momentos de incrementados de flexión reduciendo el
pandeo critico de los miembros en compresión.
El modelo de la esquina frontal de la suspensión incorpora cargas dirigidas desde la conducción, de entrada como
desplazamientos prescritos en la varilla de viraje. El desplazamiento de la articulación de dirección cambia la orientación
de los ángulos en la parte superior derecha y las direcciones de la carga de la llanta aplicadas a la suspensión. Incluyendo
los movimientos de viraje resultan cambios significativos en el modelo de elemento finito en miembros de carga para casos
de carga implicando los efectos del desplazamiento de ángulos utilizados para determinar los ángulos efectivos de giro
durante el esquinado. Cargas diseñadas cuasi-estáticamente son utilizadas para predecir el movimiento vertical en el
centro de la llanta y cargas asociadas. El diseñador de la suspensión utilizo estos resultados para determinar si los cambios
en el rango de amortiguamiento o la barra estabilizadora de rigidez resultarían en un movimiento mas deseable de la llanta
para una condición de carga dada.
Determinar que componentes de suspensión contribuyen en su mayoría al cumplimiento de la comba en el sistema de
suspensión requiere de un modelo de elemento finito mas fino.
El propósito del cumplimiento del modelo de la suspensión era hacer coincidir tanto la rigidez de la comba como de los de
sujeción en la barra así como el desglose de la rigidez a nivel de componente. Un modelo de elemento finito tridimensional
de las uniones de la suspensión fue desarrollado de un modelo solido de un carro completo, importando las partes de la
esquina de la suspensión dentro de ABAQUS. Un modelo discreto rígido de la llanta fue usado para evitar la confusión de la
respuesta de la suspensión con la respuesta elástica de la llanta. Fueron utilizadas restricciones en el ensamble para ubicar
las partes de la suspensión, definiendo sets y superficies de contacto en las partes del modelo. El modelo hace un extenso
uso de particiones y sets para parametrizar el mallado de las piezas utilizando elementos C3D10M.
Modelo diseñado de la esquina frontal derecha, a) magnitud de desplazamiento para la carga lateral bajo un caso de
carga acelerada, b) von Misses stress en las conexiones de las barras
El modelado de pared de contacto entre los componentes de las articulaciones fue tan realista como practico, utilizando
fuerzas de corte y fricción entere los pares de contacto para así simular las cargas de soporte y las cargas de sujeción. Los
casos de carga en condiciones de manejo fueron aplicados en la zona de contacto del neumático con condiciones de
frontera aplicadas a puntos específicos en la parte interior de la suspensión sobre el chasis. Dos casos de carga fueron
estudiados para el estudio de la suspensión, la aceleración de 5 gravedades y la carga lateral pura. La figura 1 muestra la
magnitud del desplazamiento para la carga lateral para el caso de carga por aceleración y la tensión en los conectores de
las extremidades de las barras. El cumplimiento en el centro de la llanta, fue usado para estimar el cumplimiento de la
esquina en general. El desplazamiento en las uniones fue cuestionado para determinar la distribución de la carga y el
desplazamiento relativo en las extremidades de las barras, incluyendo si las uniones lograron los altos en el cojinete
esférico o no.
El Tecnológico de Virginia FSAE utiliza ABAQUS extensamente para el diseño, análisis y simulación de chasis, suspensión
y subsistemas de líneas de conducción. El énfasis en el modelado previo estuvo asociado con la transferencia de cargas a
través del modelado del contacto en los ensambles y subsistemas, suspensión, montaje de chasis, diseño de uniones y la
estructura integrada compuesta. El diseño futuro inmediato y esfuerzos de modelado son para soportar la simulación de
cargas dinámicas y la correlación del modelo con las pruebas del sistema del vehículo. El ambiente de simulación en
ABAQUS permite al equipo Formula SAE del Tecnológico de Virginia evaluar subsistemas integrados del vehículo y diseños
del sistema, además de un análisis a nivel componente. Uso efectivo de simulación de pasos simultáneos integrados es la
llave para hacer un mejor diseño en cuanto a ventajas y desventajas y realizar una optimización del vehículo.