(
Energía Mecánica Innovación y Futuro, IV Edición 2015, No.4 (13)
Página - 27 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (4/13)
RESUMEN
El presente artículo expone una propuesta de
investigación para analizar el comportamiento
de los componentes estructurales de un minibus
escolar cuando existe impacto lateral producto
de un volcamiento (prueba de vuelco), el cual
ha sido analizado por el método computacional
de simulación por elementos nitos, empleando
la aplicación LS-DYNA en un evento dinámico
no lineal de volteo de una estructura de minibus
para comprobar que no se invade el espacio de
supervivencia de las persona que se encuentran
dentro de la misma una vez que ha nalizado
el impacto; además se busca obtener esfuerzos
y deformaciones máximas en el transcurso del
evento dinámico con la nalidad de encontrar
los puntos críticos y posibles fallas que presenta
el material para luego proponer una optimización
estructural.
El presente análisis se realiza en base a normativas
nacionales e internacionales que permiten conocer
parámetros establecidos para este tipo de ensayo.
ANÁLISIS ESTRUCTURAL COMPUTACIONAL DE LA CARROCERÍA DE UN MINIBUS
ESCOLAR EN IMPACTO LATERAL POR VOLCAMIENTO
COMPUTATIONAL STRUCTURAL ANALYSIS OF A SCHOOL MINIBUS BODY ON
ROLLOVER SIDE IMPACT
1
Milton Mario Brito Palma,
2
Andrés Marcelo Gordón Garcés,
3
Patricia Nataly Constante Prócel.
1
Carrocerías Varma S.A., Sector Lungua – Izamba, Ambato, Ecuador
2-3
Universidad de Fuerzas Armadas ESPE – Departamento de Ciencias de la
Energía y Mecánica, Quijano y Ordoñez y Marques de Maenza s/n.
E-mails:
1
mbrito@varma.com.ec,
2
amgordon@espe.edu.ec ,
3
pnconstante@espe.edu.ec
Palabras Clave: Prueba de vuelco, impacto en
buses, resistencia de superestructura, análisis por
el método de elementos nitos.
ABSTRACT
The present article exposes an investigation
approach to test the behavior of the structural
components of a school minibus when exists a
side impact because of a rollover (rollover test),
which has been analyzed by a computational
method of simulation by nite elements, using LS-
DYNA application in a non-lineal dynamic event
for the rollover of a minibus structure and prove
that residual space is not invaded for the people
who are inside the bus when the impact occurs;
also one of the most important objectives is obtain
maximum stress and deformations during the
event to nd critical points and possible material
failures and then propose a structural optimization.
The present analysis is performed based on
national and international regulations that allow
knowing the standard parameters established for
Brito M., Gordón A., Constante P. /
ANÁLISIS ESTRUCTURAL COMPUTACIONAL DE LA CARROCERÍA DE UN MINIBUS ESCOLAR EN IMPACTO LATERAL POR VOLCAMIENTO
(
Página - 28 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (4/13)
con el n de tener un análisis más rápido y barato
del comportamiento de buses durante un impacto
por volcamiento [3]. Con el incremento en
capacidad computacional del hardware moderno,
las herramientas de la Ingeniería Asistida por
Computador (CAE) son usadas esencialmente para
evaluar y mejorar varios aspectos del diseño del
vehículo como seguridad, confort, y durabilidad
[4].
El artículo ha sido estructurado de la siguiente
manera: Fundamentación teórica, Análisis
estructural, resultados y conclusiones
2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
Para el diseño, fabricación, montaje y análisis
estructural de carrocerías se debe considerar
algunas deniciones generales que se encuentran
detallados en la norma técnica ecuatoriana INEN
1323:2009 [5].
Carga Muerta (M).- Corresponde al peso total
de la carrocería incluyendo todos los elementos
estructurales y no estructurales permanentes, este
dato se puede obtener directamente del software
empleado para modelación [5].
Espacio de supervivencia.- Volumen que se
encuentra en el compartimento de ocupantes,
comprendido entre el plano frontal y posterior,
denido al mover el plano transversal vertical a
través de la longitud del vehículo pasando por cada
uno de los puntos SR (seat reference), el mismo
que se encuentra a 500 mm por encima del piso en
cada uno de los asientos (gura 1).
Resistencia de la estructura.- Las carrocerías de
buses deben cumplir las siguientes condiciones [5]
en cuanto a resistencia de su estructura:
– Debe resistir una carga estática sobre el
techo, equivalente al cincuenta por ciento
this type of test.
Keywords: Rollover test, bus crash, superstructure
resistance, nite element analysis method.
1. INTRODUCCIÓN
Un elevado número de incidentes vehiculares
ocurren cada año causando muertes y daños severos
a los pasajeros: 3665 incidentes vehiculares en
el primer trimestre del 2015 [1]; este problema
puede ser reducido si se brinda la atención
adecuada a la previsión de daños haciendo a los
vehículos más seguros. Entre los diversos tipos
de impactos vehiculares, los volcamientos son
frecuentemente muy severos y amenazadores para
los ocupantes del vehículo [2]. Además debido a la
creciente producción y demanda de autobuses para
transporte de personas de diferentes instituciones
tanto públicas y privadas, las empresas fabricantes
de carrocerías tienen la obligación de realizar
ensayos a las estructuras y demás componentes
que conforman un bus para comprobar su buen
funcionamiento y evaluar la resistencia de la
carrocería con el n de salvaguardar la vida
de las personas; por esta razón se deben hacer
estudios avanzados de ingeniería basados en
normas nacionales e internacionales, analizando
el comportamiento dinámico cuando el autobús
experimenta una colisión.
Los accidentes por volcamiento dependen de la
estabilidad del vehículo cuando gira, la misma
depende de la altura del centro de gravedad y el
ancho del camino; un centro de gravedad elevado y
una vía estrecha pueden dar inestabilidad al vehículo
cuando toma una curva a alta velocidad dando
como resultado un accidente por volcamiento. Un
vehículo puede volcarse debido a algunos factores
como velocidad excesiva en curvas, colisión con
otro vehículo u objeto, cambios bruscos en la
dirección a alta velocidad [2].
Las pruebas de simulación se han ido mejorando
Brito M., Gordón A., Constante P. /
ANÁLISIS ESTRUCTURAL COMPUTACIONAL DE LA CARROCERÍA DE UN MINIBUS ESCOLAR EN IMPACTO LATERAL POR VOLCAMIENTO
(
Página - 29 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (4/13)
(50%) del peso máximo admisible para el chasis,
distribuido uniformemente a lo largo del mismo, sin
experimentar deformaciones en ningún punto, que
superen los setenta milímetros.
– Durante el ensayo de resistencia de la
estructura o una vez nalizado el mismo, la
estructura de la carrocería debe resistir para que el
espacio de supervivencia no resulte invadido según
el alcance del documento Regulation 66 de las
Naciones Unidas [6].
a) Disposicion lateral
b) Disposición longitudinal
Figura 1. Espacio de supervivencia [6]
Prueba de vuelco.- Consiste en un ensayo de
inclinación lateral especicado de la siguiente
forma:
• El vehículo completo se posiciona sobre la
plataforma inclinada con suspensión bloqueada
y es lentamente girado hacia su posición de
equilibrio inestable (gura 2).
• La prueba de vuelco comienza en esta posición
con velocidad angular cero y el eje de rotación
pasa a través del punto de contacto entre el piso
y el neumático.
• El vehículo es volcado en el interior de una
zanja, la misma que tiene una supercie
horizontal, seca y lisa con una profundidad
nominal de 800 milímetros [6] [7].
Figura 2. Diagrama del proceso de prueba de vuelco. [6]
3. ANÁLISIS ESTRUCTURAL
El proceso inicia con la selección del chasis a
carrozar para luego continuar con el modelado de
la estructura tridimensional (3D) mediante el uso
de un software de diseño asistido por computador
(CAD); para el análisis estructural se emplea la
herramienta computacional especializada que
permita importar un modelo CAD previamente
realizado, discretizar en elementos nitos
independientes, agregar condiciones de
borde, resolver el método numérico, analizar
los resultados obtenidos, para por último
determinar si la estructura requiere un rediseño o
redimensionamiento.
El diagrama de ujo para análisis estructural de
la carrocería de un minibús en volcamiento se
observa en la gura 3.
Brito M., Gordón A., Constante P. /
ANÁLISIS ESTRUCTURAL COMPUTACIONAL DE LA CARROCERÍA DE UN MINIBUS ESCOLAR EN IMPACTO LATERAL POR VOLCAMIENTO
(
Página - 30 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (4/13)
Figura 3. Diagrama de ujo del proceso CAD/CAE.
La tabla 1 muestra las características generales del
chasis para el minibus escolar.
Tabla 1. Características del chasis
La gura 4, presenta las dimensiones del chasis
objeto de estudio.
Figura 4. Dimensiones del Chasis
3.1 Modelado.
La estructura para el minibus se modela con el
programa de diseño asistido por computador
SpaceClaim, dentro del cual se utilizan geometrías
de tipo Shell con la nalidad de alivianar el gasto
computacional al momento de simular con LS-
DYNA. La superestructura es colocada en la
posición de la gura 5, lo cual simula el vehículo
milisegundos antes que esté en contacto con el
piso.
Figura 5. Modelado 3D de la estructura del minibus.
3.2 Mallado
El mallado generado en Ansys Workbench LS-
DYNA tiene en su gran mayoría elementos
discretos con geometría cuadriláteras homogéneas
tipo Shell lo cual garantiza un modelo matemático
eciente para que la solución converja empleando
Brito M., Gordón A., Constante P. /
ANÁLISIS ESTRUCTURAL COMPUTACIONAL DE LA CARROCERÍA DE UN MINIBUS ESCOLAR EN IMPACTO LATERAL POR VOLCAMIENTO
(
Página - 31 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (4/13)
un gasto computacional razonable y obtener
resultados precisos con poco tiempo de
simulación. En la gura 6 se observa la malla
de la superestructura con 98078 nodos y 97321
elementos.
Figura 6. Mallado en Ansys Workbench LS-DYNA.
3.3 Condiciones de Borde
Para la simulación del volcamiento de la
superestructura se consideran dos condiciones de
borde; la primera consiste en la carga muerta en
donde se consideran todos los componentes del
autobús tanto como carrocería y chasis, la segunda
condición de borde es la velocidad angular
producida por el giro del autobús.
Cálculo de la carga muerta:
2
.
9200 .9,8 /
90160
T
F mg
F Kg m s
FN
=
=
=
Velocidad angular considerada:
0,1 /W rad s=
3.4 Material
El material empleado para la simulación es acero
al carbono de grado D y E con propiedades no
lineales especícos en el software para este tipo
de simulación dinámica no lineal, lo cual hace que
se produzca una re-calculación en un período de
ciclos para obtener datos reales en la simulación.
3.5. Hourglassing
Dentro del análisis, al emplear elementos tipo
Shell y Solid se debe prestar especial atención
al modelado ya que puede producir elementos
discretos que produzcan modos de energía cero,
lo cual resulta en estados matemáticos que no son
físicamente posible; un adecuado renamiento y
calidad de malla evitan el efecto Hourglassing.
3.6. Simulación
Para la simulación se utilizó un procesador Intel
Inside Core i7 con 32 Gb de memoria RAM;
el tiempo calculado por el software para la
simulación es de 22 horas aproximadamente para
150 milisegundos con las condiciones de borde
anteriormente expuestas, además proporcionando
sujeciones jas al piso y a la rampa de volteo.
4. RESULTADOS
En la gura 7 se tiene que el esfuerzo máximo es
de 341.06 MPa.
Figura 7. Gráco Esfuerzo (MPa) vs. Tiempo de Simulación (mseg)
En la gura 8, se puede observar los resultados
obtenidos con respecto a esfuerzos efectivos, para
un tiempo de 0, 0.09 y 0.15 segundos.
Brito M., Gordón A., Constante P. /
ANÁLISIS ESTRUCTURAL COMPUTACIONAL DE LA CARROCERÍA DE UN MINIBUS ESCOLAR EN IMPACTO LATERAL POR VOLCAMIENTO
Ec. 1
Ec. 2
(
Página - 32 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (4/13)
a) Tiempo de 0 segundos
b) Tiempo de 0,09 segundos
c) Tiempo de 0,15 segundos
Figura 8. Resultados de esfuerzo efectivo en vista frontal
En la gura 9 se puede observar los resultados
obtenidos con respecto a deformación máxima
Figura 9. Resultados de deformación máxima en vista isométrica
Con los resultados anteriormente obtenidos se
puede analizar el comportamiento de la estructura
y saber si la deformación de la misma invade el
espacio de supervivencia. La deformación que
se considera para el análisis es aquella que se
encuentra de color verde en la escala con un valor
de 50 cm (gura 10).
Figura 10. Deformación de 50 cm en estructura
El espacio de supervivencia tiene una altura de
1250 mm; la altura de la estructura desde el piso
del bus es de 2190 mm. La diferencia de las dos
medidas da como resultado 940 mm; esto implica
que la deformación no debe ser mayor a este último
valor.
Debido a que no se invade el espacio de
supervivencia la estructura no necesita ningún tipo
de optimización en su material o dimensiones.
Brito M., Gordón A., Constante P. /
ANÁLISIS ESTRUCTURAL COMPUTACIONAL DE LA CARROCERÍA DE UN MINIBUS ESCOLAR EN IMPACTO LATERAL POR VOLCAMIENTO
(
Página - 33 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (4/13)
5. CONCLUSIONES
Finalizado el desarrollo del presente artículo
de investigación, se pone en consideración las
siguientes conclusiones con el propósito de que se
constituyan en un referente y fuente de consulta
por parte de profesionales relacionados al área.
• La simulación del volcamiento para un
minibus permite ahorrar tiempo y dinero al
no realizar el ensayo físico del mismo; en esta
investigación se validó positivamente el diseño
de la estructura al comprobar que no se invade
el espacio de supervivencia de las personas
durante el impacto.
• Para el análisis de vuelco se eliminaron
algunos miembros estructurales del modelo
CAD (previamente analizando la importancia
estructural de los mismos) con el n de reducir
el tiempo de simulación, lo cual indica que
este ensayo es un estudio critico en el cual
los resultados obtenidos vendrían a ser los
máximos que puede experimentar la estructura
en este ensayo.
• Para el análisis se utilizaron miembros de tipo
Shell los cuales son elementos teóricamente
homogéneos con secciones cuadradas y
rectangulares. Los espesores especicados
para cada miembro son de 2 y 3 mm. En
estructuras reales de carrocerías se evidencian
fallas como: elementos no homogéneos con
cortes, ranuras, perforaciones entre otras, que
se dan inevitablemente en la construcción de
carrocerías por esta razón se debe tener estas
consideraciones antes de tomar cualquier
decisión de optimización estructural.
• Este ensayo de prueba de vuelco es una
simulación muy básica de seguridad, por
esta razón es importante la investigación
de impactos suscitados en la automoción
para proponer nuevos reglamentos, los
cuales deben ser obligatorios para todas las
empresas fabricantes de carrocerías de buses
en los cuales se simule y se compruebe la
resistencia de autobuses en choques frontales,
laterales, posteriores, resistencia estructurales
de asientos, resistencia de cinturones de
seguridad, colisiones de maniquís de pruebas
(biomecánica), implementación de elementos
de seguridad (airbag), entre otros. Todos estos
ensayos con el n de salvaguardar las vidas de
las personas.
REFERENCIAS
[1] El Telégrafo (14 de julio del 2015), "536 muertes
por accidentes de tránsito en el primer trimestre
de 2015" [En línea]. Disponible en: http://
telegrafo.com.ec/noticias/informacion-general/
item/muertes-por-accidentes-de-transito-se-
redujeron-un-1572-en-lo-que-va-de-2015.html.
[Último acceso: 2015 agosto 10].
[2] Belsare V., Pathak Ch. y Kulkarni M. (Octubre
del 2012), “Rollover Analysis of Passenger
Bus as per AIS-031”, Inda: Department of
Mechanical Engineering. University of Pune.
Maharashtra.
[3] Micu A., Lozsa M. y Fratila G. (s.f.),
“Experimental Test and Computer
Simulation Research on Rollover Impact of
a Bus Structure”, Automotive Engineering
Department. University POLITEHNICA of
Bucharest. Romania.
[4] Srinivasulu T., (s.f.), “Bus Rollover Simulation
using Body Sections in Radioss”, Chennai.
India: Ashok Leyland Technical Center.
[5] Instituto Ecuatoriano de Normalización (2009),
“NTE INEN 1323:2009 Primera Revisión:
Vehículos Automotores. Carrocerías de Buses.
Brito M., Gordón A., Constante P. /
ANÁLISIS ESTRUCTURAL COMPUTACIONAL DE LA CARROCERÍA DE UN MINIBUS ESCOLAR EN IMPACTO LATERAL POR VOLCAMIENTO
(
Página - 34 -
Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (4/13)
Requisitos”, Quito – Ecuador..
[6] United Nations (Febrero 22, 2006.), “Regulation
No. 66: Uniform Technical Prescriptions
Concerning the Approval of Large Passenger
Vehicles with Regard to the Strength of their
Superstructure”.
[7] Deshmukh P. y Babasaheb A. (Diciembre del
2006), “Rollover and Roof Crush Analysis of
Low – Floor Mass Transit Bus”, Department
of Mechanical Engineering. Wichita State
University.
BIOGRAFÍA
Registro de publicación:
Fecha de recepción 15 de julio 2015
Fecha aceptación 28 noviembre 2015
2 Andrés Gordón, Maestría
en Diseño Producción y
Automatización Industrial,
Ingeniero en Mecatrónica,
Técnico Docente del
Departamento de Ciencias de
la Energía y Mecánica de la
Universidad de Fuerzas Armadas
ESPE.
3 Patricia Constante, Maestría
en Diseño Producción y
Automatización Industrial,
Ingeniera en Mecatrónica,
Técnico Docente del
Departamento de Ciencias de
la Energía y Mecánica de la
Universidad de Fuerzas Armadas
ESPE.
Brito M., Gordón A., Constante P. /
ANÁLISIS ESTRUCTURAL COMPUTACIONAL DE LA CARROCERÍA DE UN MINIBUS ESCOLAR EN IMPACTO LATERAL POR VOLCAMIENTO
1 Milton Brito, Ingeniero
Automotriz de la Escuela
Politécnica del Ejército Sede
Latacunga. Jefe de Diseño y
Producción Carrocerías Varma
S.A.
