Modelización estructural de un neumático de competición por el método de los elementos finitos.

Abstract

En este proyecto se ha desarrollado un modelo estructural completo de un neumático de competición empleando el Método de los Elementos Finitos, que se ha empleado para obtener su comportamiento ante las fuerzas transmitidas por el suelo, empleando el programa Abaqus. El neumático es un modelo DUNLOP SP SPORT 175/505 R13, empleado principalmente para la Formula Student. La mayor parte de la información de definición del neumático (geometría, materiales,…) se ha obtenido de la bibliografía, en particular de la tesis doctoral de X. Yang [4]. La sección transversal del neumático está definida en un modelo CAD, empleando el programa Creo, partiendo de los dibujos existentes en la bibliografía. Las superficies de las fibras de refuerzo se han definido dibujándolas en el modelo de Abaqus/CAE. El modelo emplea elementos sólidos 3D para representar el caucho y el aro de refuerzo de acero. Los materiales que forman el caucho del neumático se han caracterizado como materiales hiperelásticos y viscoelásticos, empleando valores numéricos obtenidos de la bibliografía. Los refuerzos de fibras se incluyen en el modelo de elementos finitos mediante la función rebar layers que representan barras de área conocida a una separación dada. Estas capas son soportadas por elementos de superficie, que a su vez son embebidos en el modelo sólido que representa el caucho. Las fuerzas se aplican sobre el neumático mediante un modelo de contacto con rozamiento entre el neumático y el suelo. Este suelo se representa mediante una superficie matemática plana infinitamente rígida, sobre la cual se aplican las fuerzas exteriores. Se han desarrollado tres modelos de complejidad creciente. En primer lugar se desarrolla un modelo de un cuarto de neumático, que se emplea para estudiar la respuesta ante fuerzas puramente verticales, que son doblemente simétricas. El estudio se ha efectuado para la carga vertical nominal del neumático de 750 N a la presión nominal de inflado de 80 KPa. Para el estudio ante fuerzas verticales y transversales se ha desarrollado un modelo de la mitad del neumático, empleando para ello las funcionalidades de Abaqus de aplicar simetrías especulares. Finalmente se ha desarrollado un modelo completo del neumático, también empleando la capacidad de Abaqus de crear copias simétricas. Este modelo se emplea para estudiar la respuesta ante fuerzas en el suelo en las tres direcciones.

Como respuesta del neumático se obtienen sus deformaciones, las tensiones en el material y las reacciones en la llanta. También se obtienen las presiones en el contacto con el suelo.