El desafío

El reto del proyecto consistió en desarrollar un proceso automático de optimización del laminado de un cuadro de material compuesto, partiendo de un modelo de elementos finitos ya existente y de los datos de caracterización del material proporcionados por el cliente.
El objetivo era minimizar la masa total respetando una serie de restricciones relacionadas con la rigidez y el confort, evaluadas mediante distintos casos de carga representativos: ensayos equivalentes a la rigidez de la dirección, la rigidez de la caja del pedalier bajo diferentes configuraciones de carga aplicadas a los pedales y una condición específica destinada a controlar la respuesta vertical asociada al confort de marcha.
Desde el punto de vista del espacio de diseño, la optimización se planteó mediante una estrategia free-size, permitiendo al solver distribuir localmente los espesores del laminado, diferenciando entre capas de tejido y capas unidireccionales, y seleccionando orientaciones de fibra de 0°, 90°, ±22° y ±45°.
Para garantizar que los resultados pudieran trasladarse a un proceso de fabricación real, también se introdujeron restricciones de fabricabilidad, como un espesor máximo del laminado y, en una segunda estrategia, un espesor mínimo, evitando así soluciones óptimas desde el punto de vista matemático pero inviables desde el punto de vista industrial.

Nuestra contribución

SmartCAE se encargó de definir todo el flujo de trabajo de optimización, comenzando por la revisión del modelo FEM y de los criterios utilizados para evaluar la rigidez en los distintos casos de carga.
Posteriormente configuramos las regiones del modelo susceptibles de optimización, diferenciando las zonas estructurales principales de aquellas que debían permanecer inalteradas, y definimos un conjunto coherente de variables de diseño para los distintos tipos de capas y orientaciones de fibra, obteniendo mapas de espesores claros y fácilmente interpretables.
A continuación ejecutamos las dos estrategias de optimización free-size, gestionando las restricciones de fabricación relacionadas con el espesor del laminado y supervisando la estabilidad numérica del proceso.
Finalmente, analizamos los resultados desde un punto de vista cualitativo, poniendo de manifiesto cómo la distribución óptima de las orientaciones de las fibras y de los refuerzos locales variaba en función de las restricciones impuestas. Las thickness maps obtenidas se transformaron en directrices de diseño útiles para desarrollar un laminado realmente fabricable, prestando especial atención a las zonas críticas que determinan tanto la rigidez global del cuadro como su comportamiento local.

Beneficios para el cliente

Este enfoque permitió al cliente tomar decisiones de diseño basadas en criterios objetivos, reduciendo significativamente el número de iteraciones por prueba y error que habitualmente caracterizan el desarrollo de estructuras de material compuesto.
Disponer de una solución optimizada de referencia y de una identificación clara de las zonas donde es necesario añadir material, del tipo de fibra más adecuado y de la orientación óptima para cada estado de carga permitió acelerar la convergencia hacia un laminado final equilibrado, manteniendo bajo control tanto las prestaciones mecánicas como la fabricabilidad.
La optimización basada en restricciones permitió identificar oportunidades de reducción de peso sin comprometer la rigidez requerida en los ensayos funcionales ni introducir soluciones constructivas excesivamente complejas. Al mismo tiempo, puso de manifiesto aspectos clave y compromisos de diseño —como el equilibrio entre rigidez y confort— antes de la fabricación del primer prototipo.
La experiencia de SmartCAE combinando simulación avanzada, criterios de rendimiento y restricciones de producción permitió reducir los riesgos técnicos, acortar los tiempos de desarrollo y disminuir los costes asociados a rediseños, obteniendo un producto más robusto y preparado para su industrialización.