Análisis mecánico y optimización topológica de un brazo de biela del motor J20A empleando herramientas CAD/CAE para mejorar resistencia física e inercia dinámica

Abstract

Se debe tener en cuenta que los fabricantes automotrices se enfocan en mejorar cada vez más la eficiencia o rendimiento de los motores de combustión interna alternativos (M.C.I.A), donde tanto los motores por encendido provocado (M.E.P) como los de encendido por compresión (M.E.C), buscan aprovechar la mayor cantidad de energía potencial química contenida en el combustible, por lo que se propone diseñar un elemento sólido a través de la optimización topológica, mediante la herramienta FEM del software CAD/CAE SolidWorks, que permita conocer nuevos métodos y tendencias de desarrollo e ingeniería inversa en el ámbito automotriz; por lo se calcula la fuerza de explosión del motor bajo condiciones de fabricación normalizada, así como la presión de compresión, el cual es un dato necesario para iniciar los cálculos de motor, citándose la composición y esfuerzos experimentales de bielas OEM, mediante el empleo de modelos matemáticos, diseñándose con la ayuda de una herramienta CAD y analizando mediante el empleo de una herramienta tipo CAE; por lo que mediante el empleo de la biela simula con Acero SAE/AISI 1215, caracterizándolo bajo norma ASTM E1085, realizándose un estudio estático y posteriormente la optimización topológica; visualizándose mediante la optimización de 2 bielas el análisis en cada una dando factores de seguridad cercanos al original, después del rediseño con una reducción de hasta el %5 de masa, la cual se da por mantener los refuerzos estructurales que coinciden en las áreas a 1/3 y 2/3 del cuerpo de biela, evitándose el pandeo interno de las secciones más externas del cuerpo de biela, permitiendo mejorar el consumo de combustible incrementándose la autonomía de la batería hasta en un 13.7%. It should be noted that automotive manufacturers are increasingly focused on improving the efficiency or performance of reciprocating internal combustion engines (MCIA), where both provoked ignition (MEP) and compression ignition (MEC) engines , take advantage of the greatest amount of chemical potential energy contained in the fuel, so it is proposed to design a solid element through topological optimization, using the FEM tool of the CAD / CAE SolidWorks software, which allows new methods and development trends to be known and reverse engineering in the automotive field; Therefore, the explosion force of the engine is calculated under normalized manufacturing conditions, as well as th compression pressure, which is a necessary data to start the engine calculations, citing the composition and experimental efforts of OEM connecting rods, through the use of mathematical models, being designed with the help of a CAD tool and analyzed using a CAE-type tool; Therefore, by using the connecting rod, it simulates with SAE / AISI 1215 Steel, characterizing it under the ASTM E1085 standard, carrying out a static study and later the topological optimization; visualizing through the optimization of 2 connecting rods the analysis in each one giving safety factors close to the original, after the redesign with a reduction of up to% 5 in mass, which is given by maintaining the structural reinforcements that coincide in the areas at 1 / 3 and 2/3 of the connecting rod body, avoiding internal buckling of the outermost sections of the connecting rod body, allowing to improve fuel consumption by increasing battery autonomy by up to 13.7%.