CARRRA DE INGENIERA DE MECNICA AUTOMOTRIZ
Proyecto de Diseo Mecnico.
ANLISIS Y OPTIMIZACION DE UN GUARDACHOQUE.
Autores:
Javier Alexander Belduma Ramn Byron Andrs Glvez Snchez.
Profesor:
Ing. Marco Amaya
Fecha de entrega:
Mircoles 29 de Enero del 2014
Grupo N 2
Periodo 2013-2014
1. Reconocimiento de la necesidad.A diario muchos se hace la
pregunta de qu ocurrir con el guardachoques de un vehculo cuando
colisiona con otro a una velocidad determinada , o colisiona contra
un muro o algo esttico, tambin se pregunta qu partes sern la ms
afectadas, que si el material ocupado es el adecuado, o si se debe
realizar un nuevo diseo para que nos proporcione el mayor
amortiguamiento posible, entre otras cosas, se tiene la gran
necesidad de analizar un guardachoques al momento de una colisin,
un anlisis tanto esttico como dinmico.2. Definicin del
problema.Realizar un anlisis completo de un guardachoques de un
vehculo marca Chevrolet, modelo Vitara XL al momento de una
colisin, un anlisis tanto esttico como dinmico a la velocidad de
110 Km-h, en los que se analizara los siguientes puntos. Determinar
los puntos crticos del elemento, observar los lugares donde se
producen mayores esfuerzos, y las deformaciones mximas en el
elemento.Posterior a esto se optimizara el diseo de un
guardachoques, que nos proporcione el mayor amortiguamiento
posible, el material de construccin sea el mejor, que sea
resistente y duradero pero con un costo no muy elevado.Al momento
de realizar un nuevo diseo, cambiando el material y/o la estructura
del elemento, tendr que cumplir con alguna especificaciones tales
como. El material utilizado tendr que ser lo ms resistente posible
al impacto, sin descuidar su peso y costo. Que proporcione un fcil
desmontaje del mismo. Su manufactura sea lo ms rpido posible y no
conlleve a muchos gastos.El elemento a analizar ser el
guardachoques delantero de una Chevrolet Vitara JX, 3.
Sntesis.Tabla de priorizacin, realizado en base a materiales de
construccin.VALORACION; 5: Excelente; 4: Muy bueno; 3: Bueno; 2:
Regular; 1: MaloCARACTERISTICAS DE LOS
MATERIALESPOLIETILENOCAUCHOPOLIETILENO CON REFUERZO DE
CAUCHO.ALUMINIO
12345123451234512345
DUREZAxxxx
RESISTENCIA A LA TRACCIONxxxx
RESISTENCIA A LA COMPRESIONxxxx
DENSIDADxxxx
PESOxxxx
ELASTICIDADxxxx
DISPONIBILIDADxxxx
FIABILIDADxxxx
MAQUINABILIDADxXxx
COSTOxxxx
ABSORCION DE ENERGIA DE IMPACTO.xxxx
SUMATORIA TOTAL.41323928
Tabla de valoracin para optimizacin final.Valoracin: 3: Bueno;
2: Regular; 1: MaloOPTIMIZACION PARA GUARDACHOQUES.Costo del
materialEnerga de absorcinDeformacinManufactura.Sumatoria total
123123123123
Material Polietileno.xXxx9
Material Caucho.xxxx7
Material con Polietileno y refuerzo de caucho.xxxx8
Material de Aluminio.xxxx7
En base a todos estos anlisis se ha logrado llegar a la
conclusin de que el material a ser utilizado ser el de Polietileno
debido todas sus caractersticas importantes en especial las
mecnicas, es un material con excelente capacidad de resistencia al
impacto, su manufactura no conlleva a grandes gastos, adems es de
fcil adquisicin. En el caso del aluminio se lo ha desechado porque
no es un atenuador del impacto al momento de una colisin, y su
deformacin es permanente o plstica, adems su costo no es ventajoso
para el diseo. El caucho tiene una menor calificacin, debido a que
su deformacin es excesiva, y su manufactura conlleva a mayores
gastos y su acabado es muy rugoso impidiendo un terminado ptimo de
pintado, con lo que no se podra encajar los colores de la carrocera
con los del guardachoque.
4. Anlisis y optimizacin.
Calculo de la fuerza de impacto a 110km/h.
Datos del vehculo:Peso=1405kgVelocidad= 110Km/h=30.5m/sDatos de
la pared:Peso =2000kgVelocidad = 0 m/s
ANALISIS DINMICO.Perfil de sistema para el posterior anlisis de
colisin.
MATERIAL GAURDACHOUQE DE POLIETILENO Y PARED DE CONCRETO.
Anlisis de deformacin total del elemento.
Se analiza la deformacin total, que se dar en la direccin (y),
por la razn de que el choque se da en este sentido, con lo que se
puede decir que la mayor deformacin se dar en la parte inferior del
guardachoques, teniendo una deformacin de 12.62 mm, que es
razonable desde el punto de vista del material utilizado, como es
un plstico tiende a tener mayor deformacin pero con la ventaja de
que absorber de mejor manera el impacto producido a 110Km-h o 30.55
m/s.
Anlisis de Esfuerzos de Von Mises.
Como esfuerzo mximo se tiene 6.54 Pa, o lo que es lo mismo a
65.4 MPa, este esfuerzo se presentara en el guardachoque,
comparando con el esfuerzo mximo de fluencia del material que es de
34 MPa del polietileno, se llega a la conclusin de que el esfuerzo
producido durante el impacto sobrepasa el admisible por el
material, por tanto se romper y llegara a la deformacin plstica o
permanente. Este esfuerzo se presenta en las aristas del
guardachoque, en los lugares del impacto y en las partes donde va
sujetado el guardachoque.
Factor de seguridad.
El factor de seguridad mostrado es excesivo teniendo como mximo
15, este factor nos muestra que se dar en las partes donde no se
somete al choque, mientras que las partes criticas donde se produce
la colisin se tiene valores de 0 a 10 lo cual es bueno ya que da
mucha ms confiabilidad al elemento analizado, como es de lo ms
obvio se tiene un factor de seguridad de 0 en la pared, ya que casi
no sufre esfuerzos y adems no se enfoca mucho en el diseo.
MATERIAL DE GUARDACHOQUES DE ALUMINIO Y PARED DE CONCRETO.
Anlisis de deformacin total del elemento.
Se tiene una deformacin mxima de 19.10 mm, al utilizar aluminio,
esta deformacin es considerable y se llega a la conclusin de que es
normal ya que se est analizando el elemento a 110 Km-h que es una
velocidad bastante grande. El material utilizado no posee mucha
rigidez y por eso es que se da esta deformacin. De la misma manera
estas deformaciones mximas se producen, en los sitios de contacto
directo en la colisin.
Anlisis de Esfuerzo de Von Mises.
El esfuerzo mximo ser de 1072 MPa, mediante lo cual comparando
con el del material que es de 410 MPa del aluminio, se llega a la
conclusin de que el elemento llegara a la deformacin plstica
deformndose permanentemente, y con esto de predice que el aluminio
no es buen un atenuador del impacto. As mismo estos esfuerzos se
darn en los lugares ms crticos, como en los extremos del
guardachoque.
Anlisis de factor de seguridad.
El factor de seguridad se tiene como un mximo de 15 en los
lugares ms crticos, que es donde se concentraran la mayor cantidad
de esfuerzos, este valor est de acuerdo a las solicitaciones de las
funciones que se quiere que cumpla el guardachoque, que es el de
atenuar el impacto y evitar las deformaciones excesivas, los
valores mnimos de factor de seguridad se dan en los lugares donde
no se tienen reacciones de gran magnitud. Este valor de 15, adems
se debe a la velocidad que se est simulando la cual requiere mayor
resistencia al impacto y ese nmero de factor de seguridad nos
muestra un mayor grado de confiabilidad al sistema.
MATERIAL GUARDACHOQUES DE CAUCHO Y PARED DE CONCRETO.
Anlisis de deformacin total del elemento.
Se tiene una deformacin mxima de 13.7 mm, lo cual se debe al
material utilizado que es caucho, este material es un buen
atenuador del impacto, pero se deforma con facilidad, con lo que se
llega a la conclusin de que el caucho sufre mucha deformacin, este
valor es admisible por el material ya que el caucho es uno de los
elemento con mayor elasticidad. La deformacin mxima se dar en la
parte inferior del guardachoque que es donde el elemento
reaccionara durante el impacto.
Anlisis de esfuerzo de Von Mises.
El esfuerzo mximo que se produce es de 22.1 MPa, comparando con
el del material que es de 24 MPa del caucho, se llega a la
conclusin que no llegara a la rotura del elemento, aunque los
valores de esfuerzo se aproximen a los de fluencia, el elemento no
fallara. De la misma manera estos esfuerzos se presentan en los
lugares donde se produce directamente el impacto.
OPTIMIZACION FINAL, GUARDACHOQUE DE POLIETILENO CON REFUERZO DE
CAUCHO Y PARED DE CONCRETO. Anlisis de deformacin mxima.
Se tiene como deformacin mxima 14.72 mm, en este caso debido a
que se est aleando dos materiales con caractersticas parecidas con
lo que se obtiene tanto caractersticas atenuantes de impacto y un
tanto de rigidez en el mecanismo. Esta ser la optimizacin del
diseo, lo cual nos proporciona resistencia al impacto, mediante el
caucho y un buen diseo mediante el polietileno.
Anlisis de Esfuerzos de Von Mises.
Se tiene como esfuerzo mximo 68.3 MPa, mediante lo cual se llega
a la conclusin de que se producirn excesivos esfuerzos en el
guardachoque, porque el caucho soporta 24 MPa y el polietileno 34
MPa, lo que no ofrecen seguridad al momento de un impacto a esa
velocidad. Estos esfuerzos se producirn en los soportes del
guardachoque, que son los lugares ms crticos.
ANALISIS ESTTICO.2014
Anlisis 1 (material polietileno)Esfuerzo de Von MisesEl esfuerzo
de Von mises mximo es de 190 MPa y comparada con el material es de
24 MPa en conclusin el material no soporta la fuerza aplicada
Deformacin Total
Factor de seguridad
Esfuerzo de Von misesEl esfuerzo de Von mises mximo es de 220.31
MPa y comparada con el material es de 400 MPa en conclusin el
material si soporta la fuerza aplicada no llegara a ruptura.
Deformacin totalLa deformacin total mxima es 43.583mm en
conclusin el material se ropera con la fuerza aplicada porque
excede el limite plstico
Factor de seguridadEl factor de seguridad mnimo es de 0.13156 en
conclusin el factor de seguridad en esta ocasin no va a garantizar
una buena resistencia a fuerzas extras.
Anlisis 2 (material Aluminio)Esfuerzo de von mises
Deformacin total
Factor de seguridad
Esfuerzo de von misesEl esfuerzo de Von mises mximo es de 228.78
MPa y comparada con el material es de 24 MPa en conclusin el
material si soporta la fuerza aplicada
Deformacin totalLa deformacin total mxima es 0.6642 mm en
conclusin el material llega al rango plstico de deformacin.
Factor de seguridadEl factor de seguridad mnimo es de 1.27 en
conclusin el factor de seguridad en esta ocasin garantizara el 1.27
a cargas extras antes de su ruptura.
Anlisis 3 (refuerzo de una barra de caucho)Esfuerzo de von
mises
Deformacin total
Factor de seguridad
Esfuerzo de von misesEl esfuerzo de Von mises mximo es de 224.7
MPa y comparada con el material es de 24 MPa en conclusin el
material no soporta la fuerza aplicada se pasa de su lmite de
fluencia.
Deformacin totalLa deformacin total mxima es 40.511 mm en
conclusin el material se ropera con la fuerza aplicada porque
excede el limite plstico pero la deformacin es menor que sin el
refuerzo de caucho.
Factor de seguridadEl factor de seguridad mnimo es de 0.1092 en
conclusin el factor de seguridad en esta ocasin no va a garantizar
una buena resistencia a fuerzas extras que se le pueda aplicar.
Anlisis 4 (material caucho)Esfuerzo de von mises
Deformacin total
Factor de seguridad
Deformacin totalLa deformacin total mxima es 469.44 mm en
conclusin el material se deforma exageradamente pero como es caucho
no se romper porque el caucho soporta grandes deformaciones pero es
difcil su mecanizacin.
Factor de seguridadEl factor de seguridad mnimo es de 0.1332 en
conclusin el factor de seguridad en esta ocasin no va a garantizar
una buena resistencia a fuerzas extras que se le pueda aplicar.
5. Evaluacin.Para el anlisis y diseo del guardachoque se analiz
con diferentes materiales como son: polietileno, aluminio, caucho,
y se le reforz con una barra de caucho al guardachoque. El cual con
el anlisis y optimizacin se lleg a la conclusin que el guardachoque
con el material de polietileno nos da unos buenos resultados y
acabados finos.Tambin con el refuerzo de caucho nos dio buenos
resultados que fue menos deformacin pero en cambio, la mecanizacin
del caucho es medio difcil de obtener y ms costoso su fabricacin.Se
optimizo el guardachoque con caucho que soporta el esfuerzo de
impacto sin que tenga una deformacin permanente pero en cambio los
acabados no son los adecuados y u mecanizacin es muy difcil de
obtener.Se optimizo el guardachoque con un material de aluminio el
cual si nos dio buenos resultados pero en cambio es muy pesado, por
el cual en el campo automovilstico se trata de disear con menos
peso los vehculos para que as no se necesite demasiada potencia
solo para vencer el peso del automvil, tambin no combine disear con
este material porque no absorbe la fuerza de impacto y as cuando se
produzca el impacto no sufra daos el conductor.6. Presentacin.La
optimizacin realizada por medio del guardachoque de polietileno y
un refuerzo de caucho en la parte posterior, fue una opcin para el
diseo mediante lo cual se minimizo la deformacin y lo ms importante
es que se tendr un mejor atenuador del impacto, con lo que se puede
asegurar de mejor manera la vida y salud de los ocupantes de un
vehculo al momento de una colisin y ms si es a gran velocidad como
se simulo a 110 Km-h.El diseo modificado no conllevara a muchos
gastos adicionales a los del diseo original, debido a que el caucho
no es muy costoso, y como va a ir en la parte trasera del
guardachoque su manufactura no tendr que ser muy buena.A diferencia
de que si se usara materiales metlicos para el diseo, esto no ser
ventajoso, tanto por costo, manufactura y los metales no atenan el
impacto, sino que lo transmiten directamente a sus elementos
adyacentes 7. Conclusiones y recomendaciones. El anlisis de impacto
es una excelente herramienta para comprender de mejor manera la
deformacin de los materiales, que son sometidos a cargas
extremadamente grandes al momento de una colisin y mejorando los
diseos en base a todos estos anlisis, adems se ve las razones del
porque el elegir un material y no otro. Como conclusin se puede
decir que el guardachoque se debera de construir de polietileno ya
que analizando todas sus caractersticas sobresali en la evaluacin y
optimizacin de los diferentes materiales, adems de esto nos
proporciona un buen diseo, una buena manufactura y buen acabado. En
este proyecto se ha desarrollado una metodologa de clculo
simplificada para el anlisis de efectos en un vehculo en caso de
impacto frontal, mediante el software ANSYS. Dicho anlisis ha sido
validado mediante la simulacin en el software utilizando diferentes
materiales propuestos para el anlisis. Hoy en da los diseos son
cada vez ms novedosos, con el gran de fin de preservar las vidas
humanas, antiguamente se utilizaba solo elementos de materiales
metlicos y muy voluminosos, ahora en la actualidad se est cambiando
todo esto por materiales polimricos, he aqu la razn del porque se
optimizo el guardachoque con polietileno y caucho, por su
elasticidad y su gran resistencia al impacto. Al momento de una
colisin frontal, el primer elemento en sufrir algn desperfecto es
el guardachoque, por tanto se debe analizar cuidadosamente todo su
diseo, con el nico fin de reducir el golpe y las fuerzas de impacto
que se transmitir hacia los ocupantes del vehculo. Un anlisis
mediante software es de gran ayuda y ventajoso al momento de un
diseo completo de algn mecanismo, porque por medio de un computador
se puede predecir lo que suceder en el futuro durante el normal
funcionamiento de la maquinaria, con esto se evita la fabricacin de
diversas maquetas para las pruebas en el laboratorio, ahorrando
tiempo, y dinero que es lo ms ventajoso para cualquier
diseador.
8. BIBLIOGRAFIA.
1. Gayol, Natalia Garca. SIMULACIN DE UN PROCESO DE EMBUTICIN.
Madrid: s.n., 2009.2. EMBUTICIN, SIMULACIN DE UN PROCESO DE.
Informe de accidente. Bogota: s.n., 2010.3. Dez, Jose Ignacio
Carro. ESTUDIO MEDIANTE SIMULINK . Barcelona: s.n., 2009.4.
Gallegos, Manuel de Jesus Fabela. Comportamiento al choque de dos
vehiculos. Mexico: s.n., 1999.5. Youtube. [En lnea] cesarachulli,
18 de Junio de 2011. [Citado el: 20 de Enero de 2014.]
http://www.youtube.com/watch?v=-lbi63uCvqE.6. Youtube. [En lnea]
cesarachulli, 29 de Junio de 2011. [Citado el: 18 de Enero de
2014.] http://www.youtube.com/watch?v=F8tcqI_kk2Q.7. Youtube. [En
lnea] David Ramrez, 12 de Febrero de 2012. [Citado el: 15 de Enero
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