Barne errekuntzako motore baten bielaren diseinu mekanikoa elementu finituko analisiaren bidez

Abstract

[EU]Gradu Amaierako Lan (GrAL) honetan Barne Errekuntza Motore (BEM) baten bielaren hainbat modelo diseinatzen dira CAD formatuan, horrela elementu finituen edozein programan erabiltzeko aukera emanik. Ondoren karga simulazioak eginez, piezaren tentsio-deformazio egoerak eta honen jokaera nekearen aurrean simulatzeko asmoarekin. Azken hamarkadatan aurrerapen handiak eman dira automozio munduan, bereziki material berrien agerpenarekin (gero eta erresistenteagoak eta arinak) eta entsegu tekniken eta prototipo erabileraren hobekuntzarekin. Hobekuntza hauek direla eta, gero eta garrantzitsuagoa bihurtu da piezen modelizazioa. Piezak fabrikatu aurretik, diseinu etapan egindako analisiak gero eta zehatzagoak dira. Piezen propietate dinamikoak hobetzeko helburuarekin, diseinu hobea egitea eta fabrikazio prozesu osoaren kostua murriztea lortzen da. Beraz, lan honen hasierako etapan oinarrizko kontzeptu batzuk azalduko dira laburki. BEM-aren funtzionamendu orokorra eta aztertu beharreko piezaren funtzionamendua ondo ulertzeko helburuarekin. Ondoren, gorputzaren zinematika eta dinamikaren ikasketa egingo da, piezaren mugimendua eta honen gainean sortzen diren esfortzuak karakterizatuz, hautatu diren irizpideak jarraituz. Honekin batera tentsio aldakorrek sortzen duten neke fenomenoa azalduko da, karga ziklikoen menpe dauden piezetan sortzen diren akatsen kausarik nagusiena dena. Behin ulertuta analisia burutzeko beharrezkoak diren oinarrizko kontzeptuak eta funtzionamenduan agertuko diren kargak nolakoak izango diren, modelo birtualaren eraikuntzarako eta ondorengo neke analisirako programa informatikoen bidez erabilitako metodologia azalduko da. Emaitza hurbilduen lorpenean elementu finituen metodoa (EFM) erabiliko da tentsio kritikoen lorpenerako. Amaitzeko, ANSYS Workbench programaren bidez lortutako emaitzak erakusten dira, burututako entsegu desberdinentzako, bielaren funtzionamendu eta posizio kritikoak kontsideratuz. Lortutako emaitzekin modelo desberdinen artean konparaketa egingo da, ezaugarri hobeak dituena hautatuz. Horrela, funtzionamendu egokia ziurtatzeko ahal den heinean pisua minimizatuz eta beti ere kostu bideragarria mantenduz.

[ES]En el presente Trabajo Fin de Grado se realizan varios modelos de biela de un Motor de Combustión Interna en un sistema CAD de manera que pueda ser utilizado en cualquier programa de elementos finitos, realizando simulaciones de cargas para obtener los estados de tensión y deformación de la pieza. Así como el comportamiento de ésta ante fatiga. Debido a la gran evolución que se ha llevado a cabo en el mundo de la automoción en las últimas décadas, debido especialmente a la aparición de nuevos materiales, cada vez más resistentes y ligeros y de la mejora de las técnicas ensayo y utilización de prototipos, se hace aun si cabe más necesaria la modelización de piezas, con el objetivo de mejorar las propiedades dinámicas de los mismos, así como el propio diseño y el coste final del proceso completo. Por lo tanto, en este trabajo, habrá una primera parte en la que se expliquen brevemente varios conceptos básicos, con la finalidad de entender bien tanto el funcionamiento general del MCI como el funcionamiento de la pieza. Para ello se estudian la cinemática y la dinámica del cuerpo, caracterizando tanto el movimiento de la pieza, como los esfuerzos a los que se va a someter, siguiendo los criterios de diseño. Se explica también el fenómeno de fatiga, causa principal de los fallos más comunes en elementos sometidos a cargas cíclicas, así como la utilización de elementos finitos para la obtención de resultados aproximados. Junto con una breve descripción de los programas utilizados para el modelamiento y análisis de la biela. Una vez entendidos los conceptos básicos necesarios para realizar el análisis y cuáles van a ser las cargas aplicables en funcionamiento, se explica la metodología utilizada para la construcción del modelo virtual y del posterior análisis de fatiga mediante el programa informático. Finalmente, se muestran los resultados obtenidos mediante ANSYS Workbench de los diferentes ensayos realizados en funcionamiento y posiciones críticas de la biela, comparando dichos resultados para la posterior elección del modelo con mejores características para asegurar un buen funcionamiento del elemento a lo largo de toda su vida útil, minimizando el peso y manteniendo un coste viable.

[EN]In this Final Grade Project various connecting rods models of an Internal Combustion Engine (ICE) are accomplished in a CAD system, so that it can be used in any Finite Element program, performing different simulations of loads to obtain the states of stress and strain of the piece, as well as its behaviour to fatigue. Due to the great changes that have taken place in the automotive world in the last decades, the modeling of parts of this mechanism becomes even more necessary. Especially since the emergence of more durable and lightweight new materials, the improvement of testing techniques and the usage of prototypes. All of these with the aim of enhancing the dynamic properties of the elements, aside from its design and the final cost of the process. Therefore, in this work, there will be a first part containing an explanation of several basic concepts in order to understand the functioning of the ICE and the movement of the model piece. For this purpose, the kinematics and dynamics of the body are studied, characterizing both the movement of the piece and the efforts it will undergo, following the chosen design criteria. In addition, the fatigue phenomenon is explained, being the main cause of the most common failures in elements subjected to cyclic loading. It will also include an explanation of the use of finite elements to obtain approximate results, along with a brief description of the programs used for these type of modeling and analysis. Having understood the necessary basic concepts for the analysis and knowing which the applicable loads will be, the methodology used to generate the virtual model and the following fatigue analysis by software are explained. Finally, the results obtained through ANSYS Workbench of the different tests carried out for this project are presented, comparing different models to later select the one with better features to ensure a good operation of the element during his useful life, minimizing weight and maintaining a viable cost.