Análisis por elementos finitos y simulación de estructuras de vehículos ferroviarios

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Ventajas de incorporar el sistema de suspensión al método de elementos finitos en estructuras ferroviarias
VENTAJAS DE INCORPORAR EL SISTEMA DE SUSPENSIÓN AL MODELO DE ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS

CADE desarrolla de manera habitual proyectos de análisis y simulación estructural de sistemas y elementos estructurales complejos mediante cálculo y análisis de elementos finitos. Así, se analizan habitualmente durante la fase de diseño, elementos y partes de alta responsabilidad mecánica cuyo comportamiento puede estar condicionado o influenciado a nivel estructural por otros sistemas o elementos.

En particular en el sector ferroviario, y específicamente para el cálculo y análisis de bastidores de vehículos ferroviarios, cobra especial relevancia la consideración de los sistemas de suspensión (bogies) en los modelos de cálculo de dichas estructuras.

El objetivo de este esta consideración en el análisis estructural es caracterizar, de la forma más realista posible, la rigidez del sistema de suspensión transmitida al bastidor ferroviario, según los requisitos de la norma “UNE-EN 12663 (2014) Requisitos de dimensionamiento de vehículos ferroviarios”.

La diferencia entre implementar o no el sistema de suspensión en el modelo de análisis de elementos finitos, puede cuantificarse fácilmente analizando las simulaciones de un bastidor de máquina ferroviaria de dos ejes, aplicando el método de los elementos finitos y utilizando software ANSYS. Para comparar los resultados, se consideran dos modelos de cálculo:

  • Modelo implementando el sistema de suspensión.
  • Modelo sin implementar el sistema de suspensión.

Resultados en el análisis de estructuras ferroviarias

Tensiones equivalentes de Von Mises (MPa)

Distribución de tensiones en ambos modelos de cálculo analizados (con y sin sistema de suspensión).

Modelo considerando el sistema de suspensión

l modelo de elementos finitos (distribución de tensiones considerando el sistema de suspensión)
Detalle del modelo de elementos finitos (distribución de tensiones considerando el sistema de suspensión)

Modelo SIN CONSIDERAR el sistema de suspensión

modelo de elementos finitos (distribución de tensiones sin considerar el sistema de suspensión)
detalle del model modelo de elementos finitos (distribución de tensiones sin considerar el sistema de suspensión)

Considerando que los resultados de tensiones son los más determinantes a la hora de validar una estructura de este tipo, la no consideración del sistema de suspensión en el análisis de elementos finitos puede resultar ser una asunción excesivamente conservadora desde el punto de vista de la integridad estructural, que seguramente pueda derivar en el incremento de costes de material y fabricación de forma innecesaria.

Pandeo lineal. Primer modo de deformación (mm)

Modelo considerando el sistema de suspensión​​

Modelo de elementos finitos de estructura ferroviaria considerando sistema de suspensión
Modos Factor pandeo
1.9.81
2.10.55
3.11.45
4.14.92
5.17.11
6.17.37
7.17.76
8.17.81
9.18.02
10.18.06

Modelo SIN considerar el sistema de suspensión​

Modelo de elementos finitos de estructura ferroviaria considerando sistema de suspensión
Modos Factor pandeo
1.13.45
2.16.95
3.17.19
4.17.28
5.17.38
6.17.55
7.17.62
8.17.66
9.17.89
10.19.01

Siguiendo la comparativa de resultados entre los modelos de cálculo analizados y observando los modos de deformación y los factores de pandeo, se concluye que la consideración del sistema de suspensión en el modelo de análisis de elementos finitos arroja mayores factores de seguridad frente a pandeo. Es decir, este método permite detectar modos de pandeo que no son detectados en el modelo de cálculo sin el sistema de suspensión. Cuando no se considera la suspensión, la aplicación directa de las condiciones de contorno sobre el bastidor rigidizan el modelo, generando valores de seguridad frente a pandeo poco conservadores y produciendo modos de fallo ficticios.

Conclusiones de los análisis de elementos finitos de bastidores con y sin sistema de suspensión

En conclusión, mediante la consideración del sistema de suspensión en la validación de bastidores ferroviarios, CADE consigue:

  • Aligerar las estructuras ferroviarias reduciendo así costes de material y de fabricación.
  • Obtener estructuras ferroviarias más seguras, debido a que es posible detectar modos de pandeo (no encontrados con el método de elementos finitos sin considerar el sistema de suspensión) y al mismo tiempo obtener factores de seguridad más altos frente a pandeo.

¿Qué es el sistema de suspensión ferroviario?

El sistema de suspensión está compuesto por una suspensión primaria (que transmite los esfuerzos entre las ruedas y el bogie) y otra secundaria (que se encarga de transmitir los esfuerzos entre el bogie y el bastidor de la maquina ferroviaria).

Ambas suspensiones están formadas por una serie de muelles y amortiguadores que permiten transmitir los esfuerzos entre las ruedas, el bogie y el bastidor.

Sistema de suspensión en estructuras ferroviarias utilizado en modelo de elementos finitos durante la fase de análisis y simulación
Bastidor ferroviario utilizado en las simulaciones con modelo de elementos finitos

Expertos en análisis y simulaciones

CADE es una empresa especializada en ingeniería mecánica e industrial, pionera en el uso de aplicaciones de ingeniería asistida por ordenador (CAE) para soluciones en la industria del petróleo y la energía, entre otras industrias. En este contexto y con una amplia experiencia de más de 15 años, CADE proporciona servicios avanzados de simulación, ingeniería y consultoría, realizando análisis de elementos finitos (FEA) y dinámicas de fluidos computacional (CFD) en equipos y tuberías críticas, así como en estructuras no convencionales. 

Más información sobre análisis de elementos finitos y simulaciones de estructuras ferroviarias:

La base de la termodinámica es la conservación de la energía y el estudio de la interacción entre el calor y otras  manifestaciones de energía. Esta ciencia proporciona la teoría básica de las máquinas térmicas, desde las turbinas de vapor hasta los reactores nucleares. 

La termodinámica es una rama esencial de conocimientos necesarios para los ingenieros que trabajan con máquinas térmicas o procesos fisioquímicos. Estudia la energía, la transformación y la interacción entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo.

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