Diseño e Ingeniería de Automóviles: Cálculo de Estructuras, Colisiones y Fabricación de Carrocerías

Cálculos para la estructura

Se basa en que las deformaciones son proporcionales a las tensiones aplicadas. El ordenador realiza simulaciones que ponen a punto la estructura del modelo para absorber la máxima energía. La estructura se plantea y se calcula.

Para determinar las características estáticas, dinámicas y acústicas se recurre al método de integración de elementos finitos, que consiste en descomponer cualquier cuerpo tridimensional en figuras geométricas, generalmente triángulos cuyos vértices tienen coordenadas específicas. Estos bloques estructurales, tras evaluarse según sus condiciones de carga, se integran en la estructura construyendo un modelo fiel a las propiedades elásticas de la pieza real.

Proceso

• Se realiza una discretización finita de la pieza, dividida en trozos pequeños a los cuales se aplican ecuaciones de comportamiento elástico-resistente según geometría, cargas y propiedades del material.
• Una vez existe este mallado, se aplican cargas exteriores y se estudia cómo se deforman y cómo pasan las cargas a sus adyacentes. Las cargas son longitudinales, verticales, de torsión, flexión y modulares, de modo que se analiza la deformación macroscópica de la pieza y los puntos susceptibles de rotura.

Ventajas

• Determinar procesos de carga invisibles en estructuras complicadas.
• Calcular variables e incorporar materiales compuestos.

Cálculo de resistencia

Consiste en calcular la relación entre fuerza y desplazamiento para cada elemento de la estructura. Luego se ensamblan los elementos, en los que se establecen los equilibrios de fuerzas en cada punto de unión. Es necesaria una igualdad de fuerzas para mantener los equilibrios y así encontrar las incógnitas o variables desconocidas. El programa de cálculo de secciones se utiliza para elementos sometidos a cargas constantes de flexión o torsión, obteniendo así las superficies de las secciones, los momentos de inercia y los momentos resistentes.

Cálculo del comportamiento ante colisiones

Se realizan ensayos virtuales de colisiones y cálculos en nanosegundos, lo que hace más evidente la interpretación de los datos experimentales. En los crash-test virtuales se utilizan modelos matemáticos tridimensionales del coche, dividiendo la estructura en elementos finitos y el fenómeno de la deformación en un choque y el movimiento de los pasajeros en cien mil pasos.

Creación de maquetas

A partir del cálculo de colisiones se elaboran maquetas de escayola, arcilla, plastilina o primer a escala 1:5 y luego a tamaño real. Se estudian los detalles del tratado de volúmenes, la forma de las curvas, las líneas direccionales y el comportamiento aerodinámico, obteniendo así la maqueta virtual definitiva. Un ordenador clona el modelo en termoplástico, que será sometido a pruebas aerodinámicas.

Construcción de prototipos

Se fabrican las matrices, moldes y útiles para la construcción, que se montan y sueldan a mano, prestando atención al control geométrico de la carrocería. Se determina el proceso de estampación idóneo, se realizan estudios de tolerancias, referencias y sistemas de unión, y se regulan los equipos de ensamblaje.

Pruebas

Se prueban los motores mediante ensayos acústicos y de vibraciones. Los materiales se controlan con microscopios y equipos metalúrgicos, y se prueba la resistencia a la fatiga y la rigidez estructural. Se somete el vehículo a temperaturas extremas de -40 a 180 ºC, se prueba la resistencia de la carrocería ante la corrosión, se verifican las emisiones de gases y se realizan ensayos con golpes, seguridad activa y pasiva, durabilidad, vibraciones y cargas, todo ello en laboratorios y circuitos cerrados.

Fabricación del coche

Se confirma la viabilidad técnica y económica del proyecto y se realiza la planificación de la fabricación. En las factorías se lleva a cabo el proceso de ensamblaje de componentes procedentes de otras factorías mediante el sistema just-in-time, que aumenta la productividad y reduce los costes de gestión. La fabricación suele tener cuatro áreas: embutición, soldadura, pintura y ensamblaje, y comienza con la llegada de acero con recubrimiento de zinc o galvanizado.

Embutición

La chapa se endereza con rodillos y se corta con cizallas para ser introducida en la cadena de embutición, un proceso de conformación en frío que la transforma en un cuerpo hueco dándole la forma de la matriz mediante prensa, sufriendo estirado y recalcado. El área cuenta con 5 líneas de prensas grandes y 1 pequeña, 1 desapilador alimentador de doble efecto y 5 robots interprensas.