En el nivel más básico, los moldes consisten de dos partes principales: la cavidad y el núcleo. El núcleo forma las principales superficies internas de la pieza, la cavidad forma el mayor superficies externas. Típicamente, el núcleo y la cavidad se separa cuando se abre el molde, para que la parte se pueda quitar. Este la separación del molde ocurre a lo largo del interfaz conocida como la línea de separación. La línea de separación puede estar en un plano. correspondiente a una geometría mayor característica como la parte superior, inferior o línea central, o puede ser escalonada o en ángulo para acomodar partes irregulares
Partes principales de un molde de inyección
Existen varios tipos de molde de inyección entre ellos destaca el de dos placas y tres placas respectivamente tal y como se muestra en la siguiente imagen
Molde de 2 placas
Molde clásico de 2 placas y 2 cavidades
Molde de 3 placas
Molde de dos cavidades y tres placas con vista de corte, situado en la primera etapa de apertura.
Molde de dos cavidades y tres placas con vista de corte, situado en la segunda etapa de apertura.
Molde de dos cavidades y tres placas con vista de corte, situado la fase de apertura final y la placa del separador en posición delantera
La alimentación de los moldes se genera de dos maneras típicas, que lo que va a hacer es ingresar la cantidad calculada de plásticos polímeros entre la cavidad y núcleo, mediante un bebedero y esas dos alimentaciones son las siguientes
1) Alimentación por eje de molde
Alimentación por linea de partición
En el primer capitulo ya vimos una pequeña introducción y un material donde pudimos ver la ingeniería del diseño de plásticos, si aun no la haz revisado para entender este artículo da clic aqui
Diseño de un molde de inyección
FASE 1
Definición de línea de partición
Colocación de la pieza en el molde
FASE 2
Selección del punto de inyección
Definición del tipo de entrada
FASE 3
Diseño de particiones
Diseño de núcleos y cavidades
FASE 4
Diseño de elementos de desmoldeo y expulsión
Diseño del sistema de enfriamiento
Selección de tamaños de placas
En esta fase viene un punto muy importante que es la refrigeración del molde que es clave para que tenga un excelente desempeño y no tenga problemas de inyección como los clásicos casos de piezas quemadas por una mala refrigeración de molde, en la actualidad ya podemos hacer una análisis de térmico y un análisis de CFD para determinar el correcto diseño del sistema de enfriamiento del molde
El ya conocido GD&T es un proceso de acotamiento y de simbología que nos van ayudar a interpretar lo que nos quiere decir el plano de alguna pieza a fabricar.
El GD&T es un lenguaje de comunicación que manejan los Ingenieros y diseñadores de productos con los Ingenieros y operadores de manufactura para poder fabricar correctamente la pieza o el conjunto a fabricar, esto lo hacen mediante
También es importante que ese plano o dibujo sea capaz de transmitirnos lo siguiente:
El material a ser utilizado
El tamaño o dimensiones de la pieza
La forma o características geométricas
Esta información que se encuentra señalando puntos de la pieza nos van a beneficiar a reducir costos de operación y de error de ensamblaje o fabricación es por ello que se realiza una serie de anotaciones en el dibujo para indicar correctamente cuales son los parámetros por los cuales va a pasar el proceso de fabricación de la pieza u operación indicada podemos decir que en manufactura sirve para definir la función o el trabajo de la pieza, para permitirle al diseñador dar a conocer exactamente como trabaja esa pieza, de manera que los departamento de manufactura e inspección puedan entender exactamente las necesidades de diseño
Cuadro de control de característica
El plano nos debe especificar las variaciones permisibles de todos los aspectos que contiene en forma de tolerancias o límites máximos y mínimos
Este concepto de meteorología en la Ingeniería es un concepto basado principalmente en Norma ASE Y14.5-2009, ISO 1101, CAN/CSA B78.2 M91 y como bien ya lo dijimos tenemos ventajas sobre de este como son
Mejorar la comunicación del departamento de Diseño al departamento de Manufactura
Mejora el concepto de diseño de producto: La pieza se puede realizar exactamente como se requiere gracias al GD&T
Aumento de Tolerancias de producto: Esto se ve reflejado en el costo de maquinado y fabricación de la pieza gracias a la tolerancia con el cual aun puede la pieza llegar a funcionar
Vamos a anexar los principales símbolos que se manejan en GD&T y material que podrás consultar para seguir aprendiendo de esta gran herramienta que es indispensable en la #Industria4.0
En este pequeño articulo nos enfocaremos en las cuerdas estándar unificadas que no es mas que una norma que aplica para los tornillos en medida estándar, y que muchas veces es un poco complicada entender a lo que nos hace referencia, es por ello que aprenderás en esta ocasiona su nomenclatura así como la forma en que debes diseñarlos
Primero comencemos con la nomenclatura que podemos encontrar con las cuerdas estandar
Ahora vamos a visualizar como podemos determinar sus medidas y cuales son las variables que tenemos que tener en cuenta para su diseño
El troquelado o estampado es proceso en el cual sin formar viruta, se somete mecánicamente una lámina a ciertas transformaciones con el objetivo de obtener una pieza de forma geométrica propia.
Este trabajo del troquel no lo realiza el mismo ya que necesita de un dispositivo de prensas mecánicas o hidráulicas(generalmente de movimiento rectilíneo alternativo) que se encargan de ejercer la fuerza para poder realizar la embutidera, corte o punzonado
Los principales componentes que se someten a este tipo de mecanizados es lo que en diseño mecánico conocemos como chapa metálica (sheet metal) que son laminas de material metálico, el cual mediante troqueles progresivos y prensas se generan la mayoría de los perfiles de las carrocerías automotrices, si bien sabemos los troqueles automotrices no son nada pequeños ya que por las dimensiones y por el número de operaciones que hace por troquel, podemos hacer diferentes piezas en una sola caída de prensa, y mediante un corte/punzonado y/o embutido puede hacer dicha operación
Existen tres tipos de troquelos
Simples: en este tipo de troqueles solo se realiza una operaciones para hacer piezas simples y muchas veces se requieren de mas troqueles para hacer mas piezas
Compuestos: Se caracteriza por poseer varios punzones que requiere uno de otro de manera que un punzón es matriz respecto a otros punzones se utilizan principalmente para piezas con agujeros que deben estar centrados con gran precisión
Progresivos: Este tipo de troquel es más sofisticado ya que en el se pueden realizar varias operaciones de corte y formado sobre la lamina de metal conformando distintas fases del proceso. Los punzones están en linea y en ellos va la secuencia de operación empezando desde el corte hasta el pre acabado final de la pieza
Las partes principales de los troqueles están definidos en las siguientes imágenes en diferentes disposiciones de troqueles
Bien como lo haz notado realizar un proceso de troquelado es un proceso complejo y de mucha precisión ya que tanto el calculo del tonelaje de golpe para el corte de la pieza es un reto así como el diseño del mismo troquel en plataformas CAD es un reto, y así como calcular los centros y la simulación que tendrá el corte deseado para alcanzar a tener la medida especifica para la operación del producto, en los próximos capítulos iremos viendo más a cerca de este artefacto de manufactura tan importante en la industria automotriz
Leva: Es un mecanismo que genera movimiento deseado en un seguidor por medio de contacto directo. Por lo general las Levas van montados en ejes (arboles) rotatorios aunque pueden ser empleadas inmóviles y el seguidor sea el que se mueve el rededor de ellas. Cambien pueden producir movimiento oscilatorio o pueden convertir movimientos de diferentes maneras
La forma de la leva es determinada por el movimiento del seguidor. En la ingeniería las Levas tienen muchos beneficios al emplearse a diferencia de los mecanismos articulados de cuatro barras de cinemática
Comencemos por ver los tipos de seguidores:
Gráficas de movimiento de levas
DIAGRAMA DE DESPLAZAMIENTO El diagrama de desplazamiento «y = f (θ)» representa, en el caso más general, la posición del seguidor respecto de la posición de la leva. Por ejemplo en una leva de placa con seguidor de movimiento rectilíneo alternativo, representaría la posición del seguidor respecto del ángulo girado por la leva, pero en otros casos, tanto «y» como «θ», pueden ser desplazamientos lineales o angulares.
Diagrama de desplazamiento.
Un movimiento muy típico a conseguir por medio de un mecanismo de leva es el movimiento uniforme en el cual la velocidad del seguidor será constante siempre que sea constante la velocidad de la leva, (quizás sería mejor llamarlo movimiento proporcional). Este tipo de movimiento queda reflejado en el diagrama de desplazamiento por medio de un segmento rectilíneo.
Desplazamientos, velocidades y aceleraciones del seguidor Si se tuviese una leva con la que se pretende, por ejemplo, realizar: una subida con movimiento uniforme, una detención y finalmente un retorno, y no se tomase ningún tipo de precaución resultaría que podrían aparecer aceleraciones del seguidor tendiendo a infinito, tal como se ve en la figura Si la aceleración del seguidor tiende a infinito, también lo harán las fuerzas de inercia, con lo que llegarían a romperse las piezas que componen la leva. Como esto es inadmisible, se debe prever un diagrama de desplazamiento que no produzca discontinuidades en el diagrama de velocidades. Para suavizar el inicio o final de un movimiento uniforme se suele utilizar una rama de parábola, consiguiendo que las pendientes de los tramos de parábola coincidan con la pendiente del movimiento uniforme.
Tramos de parábola. a) Unión de movimiento uniforme y b) dibujo del tramo. Cuando se desea realizar un desplazamiento del seguidor de subida y bajada sin detenciones, un movimiento muy adecuado es el armónico. ya que este tipo de movimiento tiene velocidades y aceleraciones que son funciones continuas.
Diagrama de desplazamiento con movimiento armónico
Si se desea que el seguidor realice unos desplazamientos de subida y bajada entre detenciones, un movimiento adecuado es el cicloidal, puesto que este movimiento tiene aceleraciones nulas al inicio y al final, correspondiéndose con las aceleraciones nulas de las detenciones.
Diagrama de desplazamiento con movimiento cicloidal
Para aprender más del tema te dejamos material de descarga
La medición es la manera de determinar tamaños, cantidad, extensiones. Tiene como objetivo conocer las dimensiones exactas de las piezas y facilitar su inspección ágil, sujeta a requerimientos y especificaciones ingenieriles para su fabricación.
Es la manera de describir un objeto mediante valores numéricos es por ello que se desarrollo la Meteorología en la industria que es básicamente una materia dedicada al estudio de la medición , la meteorología dimensional es la conceptualización de las propiedades que resultan mediante unidades de longitud como es la distancia
En la industria la metrología se ha vuelto parte clave y fundamental para el control de calidad de los producto es decir, de está depende si el producto que se está fabricando puede ser vendido o no, ya que como mencionamos en metrología se miden ya específicamente en la industria, espesores, profundidades, pasos, radios, soldadura, longitudes entre muchas otras variables más que son delimitadas por la especificación de un producto para venta especifica o para venta en publico,
En plantas ensambladoras se hace una muestra de lo que se está fabricando con el fin de conocer si se esta fabricando correctamente y si esta teniendo las especificaciones de tolerancia correctas y de aquí determinar si existe algún problema causado por, herramientas de fabricación(desgaste de la herramienta y que genere que estén fuera de rango de trabajo) mano de obra humana entre otros factores, así como malos cálculos o materia prima defectuosa
Ya que conoces un poco más de está importante ciencia añadiremos material para que profundices más en estos temas y conozcas los métodos de medición así como las herramientas para poder lograr dicho objetivo tales como, micrómetros, reglas, comparadores ópticos, pies de rey entre otros
La simulación en el mundo industrial en especial en el sector automotriz es una pieza clave fundamental para el desarrollo de productos, esto lo logran gracias a un modelo matemático desarrollado por los ingenieros e investigadores de las armadoras esto es parte del desarrollo de la industria 4.0
La simulación se basa como ya se menciono en modelos matemáticos que son comparados con los modelos que indica el ordenador o PC mediante un software, en donde hay muchas variables que se definen para poder dar una aproximación de la realidad estas variables van desde las mas fundamentales tales como distancias, tiempos, gravedad, y las mas avanzadas tales como campo magnético, radiación, entre otras muchas mas
La simulación tiene como objetivo predecir fallos y posibles desplazamientos para optimizar la calidad del producto que están ofreciendo o la forma en que se va a trabajar, este tipo de simulaciones es de suma importancia ya que ahorra millones de dolares en pruebas y error así como una optimizacion del tiempo en realizar estas pruebas
La simulación en la industria automotriz incluye desde un desplazamiento, la fatiga que pudiera ocurrir en un elemento , y hasta simulación de manufactura de proceso de fabricación de las mismas piezas tal como se muestra en el siguiente ejemplo que nos muestra la trayectoria de la herramienta para el desbastado de la materia prima para llegar al resultado de la pieza deseada por el mecanismo y/o cliente
También la podemos encontrar en procesos como la inyección de plásticos , aquí es muy importante hacer una simulación ya que de los resultados obtenidos se fabrica un molde de inyección con sus respectivas cavidades de llenado, de enfriamiento entre otras, con el fin de obtener el mejor resultado de la pieza a a inyectar
Es importante destacar que las herramientas CAE (Computer Aided Engineering ) son pieza clave para el desarrollo y perfección de productos con el fin de evitar gastos en reparaciones o campañas de reparación como llega a suceder con las armadoras cuando un producto tiene alguna deficiencia optimizan sus modelos para dar soluciones a los clientes de manera eficaz
Ejemplo de simulación extraída de MSC Software
En resumen si tu deseas aprender la simulación es muy importante que sepas que la simulación puede llegar a salvar vidas, y para ello requiere un amplio portafolio de conocimiento en materias como estática, termodinámica, transferencia de calor, dinámica, elemento finito, propiedades de los materiales, calculo integral, vectorial y diferencial así como ecuaciones diferenciales entre otras mas y un amplio conocimiento en modelado 3D
Actualmente es importante conocer estas herramientas ya que si deseamos desarrollar un proyecto propio y realizamos una simulación garantizamos que va a funcionar como lo planeado y será un atractivo plan para nuestros clientes ya que le estamos garantizando un trabajo optimo que en la realidad va a tener la función especifica que estamos vendiendo tal y como sucede en la industria
La función de un engrane radica en la transmisión de movimiento ya sea rotatorio o reciprocante de una maquinaria a otra y donde requiere reducir o aumentar las revoluciones de un eje
Los engranes se caracterizan por ser cilíndricos o conos rodantes que poseen dientes en la superficie de contacto para que se genere un movimiento positivo
Los engranes son los mas eficaces debido a su durabilidad y resistencia de todos los transmisores mecánicos. Es por eso que se utilizan engranes en lugar de bandas o cadenas en transmisiones automotrices a excepción de la transmisión CVT que se acciona por una correa o como las bicicletas
Como se vio en el vídeo aquí vamos dejar algunos buenos artículos que vamos a estar utilizando a lo largo del vídeo , así que es muy importante que los tengan descargados, y muy atentos con todo lo que se publica, otra cuestión que nos gustaría aclarar es que en los vídeos que vayamos subiendo aquí iremos dejando el material ya que en youtube por temas de copyright podemos ocasionar un altercado, sin mas que decir , esperemos que disfruten el curso, estará muy enfocado a piezas automotrices, con el fin de enfocarnos en esa materia
El análisis de elementos finitos (FEA) consiste en el modelado de productos y sistemas en un entorno virtual, con el objetivo de encontrar y resolver posibles problemas estructurales o de rendimiento (o problemas ya existentes). El FEA es la aplicación práctica del método de elementos finitos (FEM), que utilizan los ingenieros y científicos para modelar matemáticamente y resolver numéricamente complejos problemas estructurales, de fluidos y multifísica. El software de FEA se puede utilizar en una amplia gama de sectores pero habitualmente se emplea en el sector de la aeronáutica, la biomecánica y la automoción.
Un modelo de elementos finitos (FE) consta de un sistema de puntos, denominados «nodos», que dibujan la forma del diseño. Conectados a estos nodos se encuentran los propios elementos finitos, que conforman la malla de elementos finitos y que contienen las propiedades estructurales y de material del modelo que definen cómo responderá este ante determinadas condiciones. La densidad de la malla de elementos finitos puede variar a lo largo del material, en función del cambio anticipado en los niveles de tensión de un área determinada. Las regiones que experimentan cambios importantes en la tensión suelen requerir una densidad de malla más elevada que aquellas que experimentan pocas variaciones en la tensión o incluso ninguna. Entre los puntos de interés se encuentran los puntos de fractura de un material probado previamente, las curvas, las esquinas, los detalles complejos y las áreas de tensión elevada.
Tenemos en dos imágenes atajos que te podrán ayudar para hacer mas rápido y eficaz tu trabajo , es muy importante que al principio los tengamos a la mano ya que con esto podríamos reducir minutos vitales para el desarrollo de piezas, ensambles y simulaciones,
La ingeniería de moldes de plásticos, es un tema de estudio complejo pero bastante interesante, ya que nosotros podemos generar piezas plásticas a partir de moldes con la forma de esta pieza que requerimos, este es el primer post de Ingeniería, que tendremos en esta página y queremos que profundicen ustedes su conocimiento con el siguiente link de descarga que es un libro relacionado a moldes de inyección, en el área automotriz la inyección de plásticos es la manera más viable tanto en costo/tiempo que beneficia a las armadoras y auto partes, es importante destacar que el diseño de estos moldes es un proceso costoso y laborioso, sin embargo los resultados que vamos a obtener son muy precisos y con una buena calidad de terminado de pieza
Hace unos años, Boeing, empresa estadounidense especializada en aeronáutica y defensa, dio a conocer un documental en televisión sobre el desarrollo de sus aviones 777. Incluían una ‘crash test’ de un prototipo de ala. El ala fue expuesta a una prueba de peso en la que simulaba la aplicación de una fuerte presión aerodinámica durante un vuelo, especificándose una fuerza del 150%.
El proyecto que fue diseñado para experimentar la carga máxima en fuerzas G, siendo 4 G’s lo que soportó la estructura. Sin embargo, nunca se llegó a operar intencionadamente a ese nivel.
En el test, la estructura del ala falló cuando iba por 153% de carga. Dado que existe un peso considerable en el diseño de aeronaves con estas alas, este resultado fue un final extraordinario. La precisión de este resultado requirió un excelente Análisis de Elementos Finitos (FEA), así como la caracterización de materiales, tolerancias dimensionales, métodos de fabricación exactos, y un banco de pruebas muy preciso.
No es necesario decir que, la deformación de la estructura fue un ‘desplazamiento enorme’ de manera que tuvo que emplearse un análisis no lineal.
El Análisis de Elementos Finitos (FEA) nació por primera vez en 1943 por Richard Courant, quien empleó el método Ritz de análisis numérico y la minimización en el cálculo de variables para obtener soluciones aproximadas de sistemas de vibración.
Poco después, un artículo publicado en 1956 por MJ Turner, RW Clough, HC Martin y LJ Topp estableció una definición más amplia del análisis numérico. El documento se centra en la “rigidez y deformación de estructuras complejas”.
A principios de los años 70, la FEA estaba limitada a ordenadores de la industria aeronáutica, la industria automotriz, defensa y nuclear. Dado el rápido descenso en el costo de las computadoras y el aumento en la potencia de cálculo de estas máquinas, la FEA ha evolucionado obteniendo una precisión increíble.
Según el autor, la palabra ‘elemento’ referida al ‘metodo de los elementos finitos’ varía desde un dominio triangular a una función de base linea, e incluso ambos.
Un diseñador interesado en dominios curvos, podría sustituir estos triángulos con curvas primitivas, en cuyo caso se debería describir el componente como curvilíneo. Por otra parte, algunos ingenieros relevan las piezas lineales por cuadráticas, polinómicas o triangulares. De esta forma, el autor podría denominar a la pieza como de ‘orden superior’ en vez de un polinomio de mayor grado.
El método de los elementos finitos no se limita a simples triángulos o tetraedros en 3 dimensiones, pero puede ser definido en dominios subcuadráticos (hexaedros, prismas, o pirámides en 3D). Las formas de orden superior (curvilíneos) se agrupan en conjuntos polinómicos y no polinómicos (una elipse o un círculo).
El método de elementos finitos se originó a partir de la necesidad de resolver la elasticidad y análisis estructural de problemas complejos en la ingeniería civil y la aeronáutica. Una variedad de especializaciones bajo el paraguas de la disciplina de la ingeniería mecánica (como la industria aeronáutica, biomecánica, y de automoción) comúnmente integran FEM (modelado de elementos finitos) en el diseño y desarrollo de sus productos.
Varios paquetes de FEM incoporan componentes térmicos, electromagnéticos, fluidos, y entornos de trabajo estructurales. En un simulacro estructural, FEM presta una tremenda ayuda en la visualización de fabricación rígida y resistente, además de la reducción de peso, materiales y coste.
El Análisis de Elementos Finitos (FEA) es una técnica numérica basada en ordenador que sirve para calcular la fuerza y el comportamiento de una estructura de ingeniería. Puede ser empleada para valorar la deflexión, el estrés, vibración, el comportamiento en bucle y muchos otros fenómenos.
Es capaz de ilustrar la deformación elástica o permanente. Se requiere de ordenador debido al astronómico número de cálculos que son necesarios para analizar estas estructuras. La potencia y los bajos costes de los ordenadores modernos ha convertido este tipo de análisis en un medio que usan muchas disciplinas y compañías.
Esta potente herramienta de diseño se ha traducido en una mejora significativa de la mejora la calidad de los bocetos de ingeniería y de los proyectos en muchas aplicaciones industriales. El modelado de componentes ha decrementado sustancialmente el tiempo necesario para llevar los productos desde el concepto hasta la línea de producción. Los beneficios de la FEM implican una mayor precisión, un planteamiento mejorado y un mejor conocimiento de los parámetros críticos de diseño, creación de prototipos virtuales, menos prototipos de hardware, un más rápido y menos costoso ciclo de diseño, una mayor productividad y mayores ingresos.
Cómo funciona el Análisis de Elementos Finitos
FEA utiliza un sistema de puntos llamados nodos, que juntos hacen una parrilla llamada malla. Esta malla está programada para contener las propiedades de los materiales y estructurales que definen cómo la estructura va a reaccionar a ciertas condiciones de carga. Los nodos se asignan a una determinada densidad por todo el material en función de los niveles de estrés esperados de un área en particular.
Las regiones que recibirán grandes cantidades de estrés por lo general tienen una densidad de nodo más alto que aquellos que experimentan poco o ningún estrés. Los puntos de cierto interés son: puntos de fractura, áreas interiores, esquinas, detalles de una determinada complejidad, y zonas de altas presiones.
La malla actúa como una tela de araña en la que a raíz de cada nodo se extiende un elemento de malla adyacente a cada nodo. Esta red de vectores está programada para contener las propiedades del material, llevando a cabo la creación de multitud de piezas.
De esta forma la estructura se divide en muchos bloques simples pequeños o elementos. El comportamiento de un elemento individual será descrito como un conjunto relativo simple de ecuaciones. Estas ecuaciones se complementarán unas a otras para formar el esqueleto entero, así como describen las reacciones de cada parte individual de la organización.
El ordenador resolverá este gran conjunto de ecuaciones simultáneamente extrayendo la conducta de los cuerpos individuales. A su vez, se obtiene la tensión y la flexibilidad al que se somete el armazón, siendo comparable a materiales ya usados y que se conoce el esfuerzo que puede soportar evaluando la capacidad de aguante que tiene el diseño.
El término ‘elemento finito’ distingue a la técnica del uso de ‘elementos diferenciales’ infinitesimales empleados en cálculo, ecuaciones diferenciales, parciales y finitas. Sin embargo, a pesar de que el tamaño se divide en espacio finito, permite poca libertad de movimiento.
El Análisis de Elementos Finitos permite tratar con estructuras mucho más complejas gracias al análisis rápido que las computadores hacen de las derivadas parciales. Además, el estudio de FEA lidia con límites más complejos más que con ecuaciones diferenciales, dando respuesta a problemas estructurales del mundo real. Un estudio que se ha extendido a lo largo de más de 40 años.
El Análisis de Elementos Finitos habilita la evaluación detallada de la complejidad organizativa de un dispositivo, durante su planificación, ilustrando vía ordenador la adecuación de la fuerza del esqueleto, además de la posibilidad de mejorar el diseño durante la planificación, reduciendo los costes del trabajo de análisis.
Estos análisis han sabido incrementar la calificación y la calidad de estas estructuras en bocetos llevados a cabo hace décadas.
A falta de síntesis virtual o numérica, los análisis han de hacerse a mano. Las hipótesis de simplificación requeridas a la hora de hacer cálculos puede traducirse en un diseño más conservador y pesado.
Un factor a considerar en la ignorancia reside en si realmente la estructura se adecúa a todos los tipos de carga.Cambios significativos adjuntan ciertos riesgos, por ello se necesitan los prototipos y las pruebas, aunque suponga un coste adicional.
Gracias al análisis de elementos finitos el peso de los diseños pueden ser minimizados, e incluso reducir el número de prototipos que serán fabricados. Las pruebas de campo se utiliza para establecer la carga sobre las estructuras, que serán tomados en consideración para hacer futuras mejoras en el diseño a través de FEA.
Las escuderías de Fórmula 1 se sirven principalmente de software comercial comprado, que cuestan alrededor de entre 1.000 y 5.000 dólares. Estos programas ofrecen amplias capacidades, como deformación plástica o el estudio de estructuras de impacto. Los paquetes de elementos finitos pueden incluir previos procesadores que se emplean para originar geometrías, o la posibilidad de importar archivos de CAD producidos por otro tipo de software.
Este software introduce módulos de creación de mallas para analizar el problema establecido, y poder comprobar los resultados obtenidos. La salida se puede representar en forma impresa, tales como mapas de contorno de estrés, parcelas de deflexión y gráficas de los parámetros de salida.
La elección del tipo de ordenador se basa principalmente en el tipo de estructura a evaluar, el nivel de detalle requerido y el tipo de análisis. Estos análisis pueden tomar minutos, horas o incluso días. Para bocetos extremadamente complejos se utilizan los súper computadores.
Dependiendo de la complejidad de las estructuras a ser estudiadas y el volumen de la fabricación, el gasto para el hardware de FEA puede ser pequeño en comparación con el ahorro en peso y coste de construcción que pueden resultar las mejoras en el diseño, y la velocidad de análisis. El gasto puede ser muy pequeño en comparación con el coste de un fallo en el diseño de una pieza de Fórmula 1.
La finalidad del análisis de elementos finitos incluyen una comprensión de la mecánica de la ingeniería (resistencia de materiales y mecánica de sólidos), así como los fundamentos de la teoría que subyace al método de los elementos finitos. Un analista ha de entender los métodos numéricos básicos. Una carrera de ingeniería es lo normal, pero no es un requisito absoluto.
El uso de un programa de elementos finitos en particular demanda de bastante familiaridad con la interfaz del programa con el fin de crear, cargar y revisar modelos. Además de la comprensión de una variedad de temas de modelado de elementos finitos y una apreciación de la especialidad en la que el trabajo de diseño se lleva a cabo.
El análisis estructural se compone de modelos lineales, en los que hay parámetros simples y asumen que el material no se deforma plásticamente, y modelos no lineales, que consisten en subrayar el material más allá de sus capacidades elásticas variando con la cantidad de deformación.
Se emplea el análisis de las vibraciones de un objeto para comprobar la resistencia de un cuerpo a vibraciones aleatorias, choque e impacto.Cada una de estas incidencias en la frecuencia puede transformarse en una resonancia y el subsecuente fallo.
La configuración de una pieza puede ser sintetizada para una pequeña deflexión y propiedades elásticas (análisis lineal), pequeñas deformaciones y propiedades plásticas (no lineal), una gran deflexión y propiedades elásticas (geometría no lineal) y grandes deflexiones simultáneas con propiedades plásticas.
Las propiedades materiales plásticas se definen cuando la deformación va más allá del rendimiento de un objeto, quedando permanente el cambio al eliminarse la tensión aplicada.
Otros análisis típicos están sujetos también a evaluación de la frecuencia natural de vibración, como es el cálculo de ondas. Estable, transitorio, y vibraciones aleatorias se puede recoger en este campo de estudio.
La construcción de un monoplaza de Fórmula 1 u otro coche de carreras, requiere un análisis preciso de las características estructurales y sus restricciones. Hoy en día, los materiales compuestos de fibra de carbono son un factor significativo en el diseño de Fórmula Uno. La fibra de carbono, sólo representa el 20% del peso del coche, pero el 80% en volumen estructual del mismo.
El chasis monocasco de un monoplaza de F1 es un estructura en forma de sandwich, dicho vulgarmente, hecho de fibra de carbono reforzado con polímero, compuesto de hojas de alto rendimiento y un núcleo de nido de abeja Nomex. Compuestos de gran resistencia, con resinas endurecidas de clase aeroespacial que se utilizan con motivo de una mayor relación de seguridad y rendimiento/peso. Todos los puntos de anclaje para el propulsor, suspensiones, entradas de aire, etc., están fabricados a través de insertos empotrados en una pila de laminación durante la fase de producción.
Con el fin de minimizar el peso y el diferencial de expansión térmica, y maximizar la adhesión, las placas laminadas se crean al máximo grosor (aproximadamente 18 mm) para ser mecanizadas a las dimensiones y espesor requeridas.
Las regulaciones de seguridad son el principal motor en el diseño de un chasis, desde el punto global, como desde el punto de vista de los refuerzos locales, ya que la FIA impone un gran número de test de impacto antes de aprobar un monoplaza.
Todos ellos se simulan previamente en un ambiente recreado mediante el análisis de elementos finitos. Algunos de ellos pueden ser replicados de cerca, mientras que otros no pueden, por ejemplo, pruebas de penetración. Mientras una simulación realista no pueda ser llevada a cabo, un cálculo correlacionado simplificado se ha validado durante años de experimentos.
Dentro de estas limitaciones, los ingenieros de diseño constantemente buscan por una innovación técnica que aporte una fracción de segundo por vuelta. Al final, cada máquina es rediseñada innumerables veces antes y durante el transcurso de una temporada.
El planteamiento de un monoplaza de Fórmula Uno también es inusual respecto al resto, ya que los ciclos llevados a cabo en la industria aeroespacial o marina, comiezan con un boceto en CAD migrando luego el análisis, mientras que el Fórmula 1 empieza con la optimización de la simulación de un entorno FEA, alimentado por el diseño del año anterior, originando una nueva simulación de proyecto.
La información que contribuye el análisis de elementos finitos son transferidos a un ambiente CAD para crear los nuevos trazos, incluyendo las capas de fibra de carbono, el núcleo y multitud de otras variables.
El grupo de trabajo de ordenador de una escudería se compone de 10-20 personas cubriendo FEA, CFD, el cuerpo, y el análisis y diseño de los sistemas hidráulicos. Aproximadamente dos meses se tarda en definir el primer planteamiento de la estructura del chasis. El resto del tiempo de la temporada, un 25% del potencial del equipo se dedica a la optimización, refinamiento y otros cambios.
El flujo de trabajo del diseño estructural del chasis monocasco, los problemas conceptuales referidos a los controles de regulación y el proceso de optimización, requiere un análisis muy preciso y sencillo de utilizar.
Actualmente, la mayoría de las escuadras usan NeiNastram, ANSYS o el software FLUENT para el análisis estático FEA, estudio de ondas y el contacto con la superficie. Todos los cálculos se correlacionan con las medidas experimentales, lo que permite un continuo perfeccionamiento de las metodologías y los datos del material.
Con el fin de alcanzar los objetivos definidos anteriormente, multitud de ejecuciones de mejora se recrean al modificar el chasis, los refuerzos, locales y el material empleado. En esta fase, es importante que el programa FEA sea eficiente manejando y editando el modelo actual, solventando el problema y dando información detallada y precisa, para que los ingenieros decidan los consecuentes cambios con éxito.
Normalmente, el método FEA es la opción más elegida en los distintos de análisis de la mecánica estructural (dando resultado a la deformación y la tensión en cuerpos sólidos o la dinámica de estructuras), mientras que la Dinámica Computacional de Fluidos (CFD) tiende a usar el modelado dinámico de fluidos o volúmenes finitos (FVM), especialmente para tratar los problemas de flujos externos alrededor del coche.
Durante años, el mayor problema en este campo, con el variado número de software, era importar y exportar los resultados de un programa a otro.
Distintos tipos de software se han programado para unir estas herramientas de análisis estructural con CFD, solventando la interacción con las estructuras de flujo.
Típicamente, el transcurso del aire producen presiones y/o temperaturas que deforman el armazón de contacto. A su vez, estas deformaciones estructurales cambian el campo de flujo. La capacidad del software para recrear la interacción de una estructura flexible sumergida en un campo de flujo en movimiento, es un componente crítico de la fase de diseño para muchos campos de la ingeniería.
La interacción de la estructura de flujo (FSI) es de vital importancia en la determinación de la estabilidad y la respuesta de un ala de avión. De esta forma, se estudia la respuesta de un sensor de alta presión que se introduce en un tubo de flujo (llamado comúnmente como túnel del viento) o un alerón que genera downforce en un coche de carreras.
La importancia de esta herramienta de diseño a menudo se ve ensombrecida por la dificultad al generar modelos numéricos para un problema FSI además del tiempo requerido en establecer una malla de calidad. El modelado se complica aún más por los distintos requisitos de malla para los dominios estructurales y de fluidos.
