REVISTA JUVENTUDYCIENCIASOLIDARIA Enelcaminodelainvestigación Análisisestructuralmedianteelementosfinitosparalaoptimizacióndeungo-kartdecompetencia DylanOrellana,JuanSáenz,KevinUlloa Mellamo DylanFernandoOrellanaGutiérrez ,estudioenlaUnidadEducativa TécnicoSalesiano,megustalamúsica,tengo 17años,unodemishobbiesestocarlagui- tarra,estudioeneláreadeautomotriz. Mellamo JuanSebastiánSáenzArias , estudioenlaUnidadEducativaTécnicoSale- siano,tengo17años,megustaescuchar músicaydibujar,unodemishobbieses escribir,jugarfutbolytocarlaguitarra. Minombrees KevinSantiagoUlloaEs-candón ,tengo17años,estudioenlaUnidad EducativaTécnicoSalesiano,megustaentre- nartaekwondoyestudioautomotrizporque esmipasión. Resumen Esteartículopresentaelprocesodeoptimizaciónde unchasismedianteelusode software CAD(Inventor, SolidWorks)yunapropuestaparalaoptimización estructuraldelchasisdeunGO-kartkf4construido porlaUniversidadPolitécnicaSalesianaparalacompe- tenciainteruniversitariaNOVACERO2017,mediante unanálisisdeesfuerzosydeformacionesporelmétodo deelementosfinitos,conellosebuscalograrqueel chasisobtengaunamejorrespuestademanejodentro delapista.Eldiseñoserealizóconmedidasreales parapodermodificarelchasisymejorarsurespuesta dinámica.Seobtuvocomoresultadovariassimula- cionesestáticasquepermitierondeterminarlospuntos másvulnerablesdelchasisenfuncióndelesfuerzoy 6
Enelcaminodelainvestigación 7 desplazamiento,conelfindemodificarelmismopara optimizarelgo-kart,sinrestarleseguridadyaumentar surendimiento. Palabrasclave: Análisisestructural,diseño,Go-kart, rendimiento,optimización. 1.Explicacióndeltema ElGo-kartesunvehículodepesoligeroqueestádise- ñadoparacarrerasendiversasáreasdecompetencia, tieneunaestructurasimplificadaencomparaciónaun automóvilconvencional,ademásquesusneumáticos noseencuentranalineados(Quezada,2018). Comoprimerainstanciaserealizóunprimerboceto en2DdelosKarts,enlosprogramasINVENTORy SOLIDWORKS,terminadoelboceto,secomenzóa añadirrelieveyformadetuboen3D,obteniendode estaformaelrediseñofinaldelvehículoconelquese realizóelanálisisestructural. Unavezrealizadoelanálisisestructural,seobtiene unaideaclaradecómosecomportanlosesfuerzos,ya partirdeestos,llegaraoptimizarelGo-kart,basándose únicamenteenlosplanosdiseñados.Culminadalaac- tividadantesmencionada,seimplementólasdiversas formasdeoptimización,quesemencionananterior- mente,siempreycuandonoinfrinjaconlasnormas dehomologaciónCIK/FIA. 1.1.Conceptosutilizados • Rigidez Larigidezdelasarticulacionesesladisminución desusmovimientosquepuededarseendiversogrado yparadiversorangodelmovimiento,pudiendoestar laarticulaciónenflexión,enextensión,envaroovalgo oenrotación(Miralles,2015). • Esfuerzo Esunafuerzaaplicadaenuncuerpooenunasu- perficieenlaqueserealizauntrabajoenuntiempo determinado(Blanco,2015). • Análisisestructural Elanálisisdeestructurasenunsentidoamplio, eselconjuntodemétodosytécnicasquepermiten estudiarelcomportamientodelasestructurasbajode- terminadasacciones,enlasdistintasetapasqueéstas atraviesan(Blanco,2015). • Deformación Escuandouncuerporecibeunafuerzayaseaen lamismadirecciónodealgúnotrotipo,lasdeforma- cionespuedenser,aquellaenlaqueelcuerporecupera suformaoriginalalretirarlafuerzaqueleprovocala deformación,esaquellaenlaqueelcuerponorecupera suformaoriginalalretirarlafuerzaqueleprovocala deformación(Aguilar,2013). • Ángulodesalida Eselánguloqueseformaentreunalíneaimagi- nariaqueunelarótulainferiorylarótulasuperiorde lamanguetayelejevertical.Elángulodesalidabusca reducirelesfuerzoalmomentoderealizaruncambio deorientaciónenlasruedas(Quezada,2018). • Ángulodeavance Elángulodeavancetienecomofunciónmantener ladirecciónestableyprecisaalmomentodeconducir, ademásfavorecelaretornabilidaddeladireccióny evitavibracionesenlosneumáticos(Quezada,2018). • Convergenciaydivergencia Siladistanciafrontaldelneumáticoesmayora laposterior,setratadeladivergencia.Siladistancia frontaldelosneumáticosesmenoralaposteriorse tratadelaconvergencia(Quezada,2018). 2.Desarrollo Enlaprimerapartedelproyecto,serealizaelmode- ladoen3Dentrespropuestasdeprogramasdediseño tipoCADenelcualsepuedediseñaryensamblar figurasen3D,conayudadeestos softwares seobtuvo unaideaclaradelproyectoengeneral.Conayuda deprogramasespecializadosendiseño3D,sesimulan esfuerzosydeterminanzonasvulnerablesafallasque pudiesellegaratenerelGo-Kart.Deestamanera, sebuscapodercorregirlasyenelmejordeloscasos, evitarquevuelvanasuceder.
8 JuventudyCienciaSolidaria Unadelaspropuestasdeprogramasdediseñotipo CADfueutilizadoparaeldiseñodepiezas.Ademásque sepuederealizaranálisisestructuralesyaerodinámi- cosdelkart,loqueayudóalmomentodeoptimizarlo, superandoelobjetivodeesteproyecto. 2.1.Procesodemodeladodelaprimerapro-puestadediseñoCAD ParaelmodeladodelchasisenInventor,sebasóenel diseñorealyexistentedelGo-kartkf4,paralocualse realizóunbocetoen3Dy2D. • Bocetoen2D Elbocetoen2Dserealizóaplicandofuncionescomo líneas,círculos,entreotrasfuncionesbásicas.Acon- tinuación,seprocedióarealizarelbocetodelchasis pormediodelíneasguías,consiguiendoasílaforma delmodeladocomoseobservaenlaFigura1. Figura1. Bocetoen2Ddelchasis.Elaboraciónpropia ComoseobservaenlaFigura2,pararealizarel bocetoen3D,seutilizólíneas,yseaplicógeometría, tambiénsetuvoquerealizarlosángulosrespectivos parapoderadquirirlainclinaciónnecesariadelGo- Kart,serealizólosbocetos(2Dy3D).Terminadoesto, seprocedióatransformar,laslíneasdelboceto,en tubosquealfinalterminaríanformandoélGo-Kart. Figura2. Modeladoen3D.Elaboraciónpropia.
Enelcaminodelainvestigación 9 • Usodelaherramienta“Frame”paracreartubos. Seutilizólaherramienta“frame”quepermitecrear tubosabasedelíneas,enelproyecto,secreótubosa partirdelbocetodelchasis. Seutilizólanormainternacional“ISO”,luegose colocaenlafuncióndetubo,ydespuésenlaopción “Size”seseleccionalamedidadeltubo(26.9 × 2.5).En laimagen(Figura3)semuestraelresultadodela función“Frame”. Figura3. ChasisdeGo-Kart.Elaboraciónpropia Enlasiguientelistasemuestrantodaslaspartes creadasenelprogramaAutodeskInventorqueseuti- lizóparaelensamblajedelGo-kart Tabla1. Partesdelchasis.Elaboraciónpropia ManguetaNeumáticosVolante SoportetraseroSoportedelamangueta
10 JuventudyCienciaSolidaria • Montajedepiezasenelchasis. ParaelensamblajedelGoKartseutilizólahe- rramienta“Constrain”queposeevariostiposderes- tricciones,(comoporejemplosMate,angle,tangent, insert,simetry). Elresultadodeestediseñoseapreciaenla(Figura 4)dondesemuestraelmodeladoterminado. Figura4. ModeladodelKartterminado.Elaboraciónpropia. 2.2.Procesodemodeladoenlasegundapro-puestadediseñoCAD Serealizóunbocetoendosdimensiones,guiándosede lasmedidasylosbocetostomadosdelKartdecom- peticiónconstruidosenlaUPS,estecomenzóatomar formayelsiguientepasofueocuparperspectivasen tresdimensiones. Figura5. Chasis2D.Elaboraciónpropia. Alterminardebocetoelchasis,seprosiguióadarle relieveconlaherramienta“miembroestructural”,ubi- cadaenlapestañadelprogramainsertar,piezassóli- das.Paravolverlo“tubo”sedeberáescogerlaescala (21.3 × 2.3),paraquetengaelespesoradecuadoyasí puedacoincidirconlosvaloresreales.
Enelcaminodelainvestigación 11 Figura6. ChasisdelGo-Kart.Elaboraciónpropia. Comoúltimopasoserestringieronlaspiezas,del Go-Kart,paraconcluireldiseño,seocuparonlassi- guientesrestricciones:coincidente,permitequedos carascoincidanenelmismoeje;paralela,mantienen unaciertadistanciaentrecarassíqueestasseunan; perpendicular,permitequedoscarasformenunán- gulode90grados;tangente,estarestricciónseocupa cuandohayestructurasdetubosocilindrospara quecoincidanperpendicularmente;concéntrica,estima coincidirunagujerootuboconrespectoauncilindro. Figura7. Go-KartTerminado.Elaboraciónpropia. 3.Análisisdeelementosfinitos Elanálisisdeelementosfinitospermitediagnosticar problemasdeelementosestructurales,sedenomina “elementosfinitos”porquélacantidaddeelementos sonlimitados.Estetipodeanálisisseutilizaenlos elementosdondesepuedaejercerunacargaounas restriccionesconelfindemostrarunasimulaciónde cómoactúaelproductoensudiferentefunciónpara podermejorarelproductofinal. Enelanálisisdeelementosfinitosseutilizannodos, ylaunióndeestossedenominamalla.Lacalidad finaldelanálisisdependede:lacantidaddenodos,del tamañodelamallaydelostiposdeelementosdel mismo.Deesteanálisissepuedeconseguireldesplaza- miento,ladeformacióneinclusolastensiones,bajo diferentesescenariosyobservarcómosecomportaen ciertascondiciones(Mirlisenna,2016).
12 JuventudyCienciaSolidaria 4.Análisisestructuraldeelementosfinitosenlasegundapropuestadedi-señoCAD Unavezterminadoeldiseño,seprocedióarealizarel análisisestructuraldeelementosfinitos,elcualmuestra enelchasislaszonasconmayorimpactoenladefor- maciónydesplazamiento.Conlocualsedeterminará laszonasmásvulnerablesenelchasis,determinando laszonasdondesepodráoptimizar. Figura8. Análisisestructuraldeelementosfinitos.Elaboraciónpropia. EnlaFigura9sepuedeapreciarladeformacióndel chasisalrealizarelanálisisestructuralenlasegunda propuestadediseñoCAD. Figura9. Análisisestructuraldeelementosfinitosdeformación.Elaboraciónpropia. EnlaFigura10sepuedeapreciareldesplazamiento delchasisalrealizarelanálisisestructuralparalase- gundapropuestadediseñoCAD.Estosanálisisson importantespararealizarlaoptimizaciónalGo-Kart. Figura10. Análisisestructuraldeelementosfinitosdesplazamiento.Elaboraciónpropia.
Enelcaminodelainvestigación 13 5.Análisisestructuraldeelementosfinitosenlatercerapropuestadedi-señoCAD Pararealizarelanálisisdeelementosfinitossetomará lascoordenadas(Kpoints)decadauniónobtenidas del software delasegundapropuestadediseñoCAD comoseilustraenlaTabla2,dondeseproyectarápor mediodepuntoslageometríadelchasis. Figura11. Coordenadasdelchasis.Elaboraciónpropia. Tabla2. Coordenadasdelasunionesdelchasis.Elaboraciónpropia PuntoCoordenadasCoordenadasCoordenadas“X”“Y”“Z” K10-3.050.0000K21.417.600-3.050.0000K35.900.00-3.050.0000K46.740.000-2.793.9000K57.738.500-2.132.0000K68.040.300-1.930.8000K78.562.700-1.709.3000K81.077.260-1.229.3000K91.229.980-3.449.4008.044.000K101.272.010-3.050.006.500.000 Obtenidaslascoordenadas(Kpoints)decadaunión seprocederáaunirpormediodelíneasparaobte- nerlageometríadelchasiscomoseobservaenla Figura12. Figura12. Bocetodelchasis.Elaboraciónpropia.
14 JuventudyCienciaSolidaria Despuésqueserealicenlaslíneasqueseunencon lascoordenadas(Figura12)serealizaráelmalladode lageometríaaplicandotuberíaconelfindarleforma tubulardelchasis(Figura13). Figura13. MalladotubulardelchasisdelGo-Kart.Elaboraciónpropia Enelchasissefijólageometríayseaplicólas cargasrespectivaspararealizarelanálisisdeelemen- tosfinitosenANSYScomoseobservaenlaimagen (Figura14). Figura14. CargasaplicadassobreelchasisdelGo-Kart.Elaboraciónpropia Aplicadaslascargassesimulaelanálisisdeelemen- tosfinitosparaobtenerladeformacióndelchasiscomo seobservaenlaFigura15. Figura15. Resultadodelanálisisdeldesplazamientodelchasis.Elaboraciónpropia
Enelcaminodelainvestigación 15 Unavezaplicadaslascargassesimulaelanálisis deelementosfinitosparaobtenereldesplazamiento delchasiscomoseobservaenlaFigura16. Figura16. Análisisdeldesplazamientoenelchasis.Elaboraciónpropia Identificadolaszonasmásvulnerablesdelchasis, seprocedióadesarmarelGo-Kart,comenzandopor retirarlaspiezasapoyadasenelchasis(Figura17).