El problema
En los modernos sistemas de transmisión y reducción, las carcasas estructurales no son simples elementos de alojamiento, sino componentes portantes que deben garantizar la correcta alineación de los ejes, el posicionamiento preciso de los rodamientos y la estabilidad de las interfaces de montaje en un amplio rango de condiciones de funcionamiento.
En este contexto, los exigentes requisitos de rigidez deben compatibilizarse con restricciones de masa, dimensiones y fabricabilidad, normalmente asociadas a procesos de fundición y a las operaciones posteriores de mecanizado.
A ello se suman las cargas transmitidas por los elementos giratorios y sus acoplamientos, los pretensados de las uniones atornilladas y las solicitaciones inerciales generadas durante eventos dinámicos, factores que pueden provocar concentraciones locales de tensiones y fenómenos de fatiga.
Por ello, resulta fundamental disponer de una metodología de diseño que permita transformar una geometría inicial mínima en una estructura robusta, optimizada y validada, reduciendo el riesgo de iteraciones tardías y de costosas modificaciones durante las fases finales de industrialización.
El desafío
El objetivo del proyecto fue desarrollar una estrategia de refuerzo interno para un conjunto de carcasas de transmisión a partir de un modelo CAD deliberadamente simplificado, concebido para definir únicamente los espesores mínimos, las interfaces funcionales y los volúmenes condicionados por los espacios internos disponibles.
El reto no consistía simplemente en añadir material, sino en hacerlo de la forma más eficiente posible: aumentar la rigidez únicamente donde fuera necesario, limitar el incremento de peso y respetar al mismo tiempo las restricciones de fabricación propias de un componente fundido, como la dirección de desmoldeo y la obtención de geometrías técnicamente fabricables.
Desde el punto de vista de la simulación, el proyecto se desarrolló en dos etapas. La primera estuvo orientada a maximizar la rigidez mediante técnicas de optimización topológica apoyadas en hipótesis simplificadas cuidadosamente controladas.
La segunda consistió en una validación detallada, reintroduciendo toda la complejidad física del sistema mediante contactos, pretensado de los tornillos y una representación realista de las cargas aplicadas sobre los alojamientos de los rodamientos, hasta completar las verificaciones de resistencia estática y de fatiga del conjunto.
Nuestra contribución
SmartCAE desarrolló un flujo de trabajo estructurado que permitió transformar una geometría inicial sin nervaduras en una configuración reforzada y completamente validada.
En la fase preliminar elaboramos un modelo FEM simplificado definiendo correctamente el espacio de diseño, es decir, el volumen susceptible de convertirse en nervaduras estructurales, excluyendo los volúmenes internos y todas aquellas zonas que debían permanecer invariables.
Sobre esta base aplicamos técnicas de optimización topológica con el objetivo de maximizar la rigidez, incorporando desde el inicio restricciones de fabricabilidad propias de los procesos de fundición para obtener soluciones no solo óptimas desde el punto de vista matemático, sino también viables desde el punto de vista industrial.
Los resultados de la optimización fueron posteriormente interpretados y convertidos en una geometría de ingeniería compatible con los requisitos constructivos y con las interfaces funcionales del conjunto.
En la fase de detalle desarrollamos un modelo mucho más representativo, incorporando los contactos entre componentes, el pretensado de las uniones atornilladas y una representación más realista de las cargas transmitidas a los alojamientos de los rodamientos.
Este modelo permitió identificar concentraciones locales de tensiones, introducir mejoras específicas y completar las verificaciones de rigidez, resistencia estática, resistencia a fatiga e integridad de las uniones atornilladas antes de liberar la configuración final para su industrialización.
Beneficios para el cliente
Gracias a este enfoque, el cliente pudo tomar decisiones de diseño de forma más rápida y fundamentada, ya que las modificaciones geométricas no se basaron en sucesivos ensayos y errores, sino en una combinación de optimización estructural y simulaciones CAE con un nivel de realismo progresivamente creciente.
Esta metodología reduce significativamente el riesgo de detectar problemas únicamente durante la fabricación de prototipos o, aún peor, una vez liberados los planos para la fabricación de moldes y utillajes, cuando cualquier modificación supone importantes costes y retrasos.
El diseño optimizado de las nervaduras permitió alcanzar un equilibrio eficaz entre rigidez, peso y fabricabilidad, manteniendo bajo control todas las limitaciones tecnológicas propias de los componentes fundidos y de las operaciones posteriores de mecanizado.
Además, la validación integrada de contactos, pretensados y cargas de servicio permitió evaluar el comportamiento del conjunto completo, y no únicamente de los componentes individuales, incrementando la fiabilidad del producto y la confianza en el cumplimiento de los requisitos durante toda su vida útil, incluidos los fenómenos de fatiga.
En definitiva, el cliente contó con un único socio tecnológico capaz de transformar requisitos estructurales complejos en soluciones de diseño coherentes, verificadas y preparadas para su industrialización.
Galería
Valide su producto antes de fabricarlo.
¿Y si pudiera reducir los costes de prototipado hasta en un 80 %? ¿Le gustaría saber cómo?
Gracias a la simulación por ordenador, le ayudamos a predecir el comportamiento de su producto en condiciones reales de funcionamiento antes de que sea fabricado. Al identificar los posibles problemas de diseño desde las primeras fases del desarrollo, podrá reducir significativamente el número de iteraciones, acortar los plazos de desarrollo y lanzar productos fiables desde el primer prototipo.
Póngase en contacto con nosotrosAnálisis Estructural por Elementos Finitos FEM
Mediante el modelado por elementos finitos ayudamos a las empresas a identificar posibles problemas de funcionamiento del producto y a realizar las modificaciones necesarias mucho antes de fabricar el prototipo. Descubra nuestros servicios de análisis por elementos finitos.
Análisis de fatiga de materiales
Prevenga los fallos estructurales del producto cuando esté sometido a cargas cíclicas y dinámicas mediante la reproducción virtual de ensayos de fatiga. Disponemos de la experiencia y las herramientas necesarias para predecir la vida a fatiga de un producto sometido a cargas estáticas variables y solicitaciones vibratorias.
Optimización del diseño
Contamos con una amplia experiencia en la optimización del diseño para aplicaciones de los sectores automotriz, aeroespacial e industrial. En particular, sabemos cómo mejorar el rendimiento de estructuras fabricadas con materiales compuestos laminados. Visite nuestra página de servicios de optimización para obtener más información.
Software de análisis CAE
¿Desea integrar el prototipado virtual en su proceso de desarrollo de productos?
Descubra nuestra gama de soluciones de software CAE y nuestros servicios de mentoring especializados. Nuestros expertos le ayudarán a seleccionar la herramienta más adecuada para sus necesidades y le acompañarán en su integración dentro de su proceso de desarrollo. Póngase en contacto con nosotros para solicitar una evaluación técnica gratuita.
Ver todo el softwareSimcenter Optistruct
Diseñe productos más inteligentes, ligeros y eficientes con Simcenter OptiStruct, el solucionador FEM que combina análisis avanzado y optimización estructural en una única plataforma integrada. Fiable, escalable y tecnológicamente avanzado, es la elección ideal para llevar la ingeniería de sus productos al siguiente nivel.
Simcenter 3D
Simcenter 3D es un entorno CAE moderno que permite evaluar rápidamente las prestaciones del producto gracias a la combinación de un potente modelador geométrico con un preprocesador asociativo y solvers multifísicos integrados. Simcenter 3D permite realizar simulaciones utilizando geometría creada con cualquier sistema CAD.
Simcenter Femap
Las herramientas de análisis de Simcenter 3D Thermal permiten calcular la distribución de temperatura en cada punto del sistema utilizando las ecuaciones de transferencia de calor. También dispone de herramientas específicas para el análisis de sistemas electrónicos y sistemas espaciales.
