Análisis de rigidez global estática y dinámica para prediseño automotriz

Fabiola Cavaliere

Díez Mejía, Pedro Zlotnik, S.

Para ser competitiva a nivel mundial, la industria automotriz se enfrenta al reto constante de producir vehículos de mayor calidad en el menor tiempo posible y con los mínimos costos de producción. La mayoría de los problemas con los nuevos productos se derivan de procesos de diseño deficientes, lo que a menudo genera problemas no deseados en una etapa donde los cambios son extremadamente costosos. Durante la fase preliminar de diseño, los diseñadores deben abordar problemas paramétricos complejos donde se desconocen las características geométricas y materiales de los componentes del vehículo. Cualquier cambio en estos parámetros podría afectar significativamente el comportamiento global del vehículo. Un objetivo muy sensible a pequeñas variaciones de los parámetros es la respuesta al ruido y la vibración del vehículo (estudio NVH), que depende estrictamente de su rigidez estática y dinámica global. Para encontrar la solución óptima, es necesario probar numerosas configuraciones que exploren todas las posibles combinaciones paramétricas. El estado actual del arte en el contexto del diseño automotriz aún se basa en simulaciones numéricas estándar, que son computacionalmente muy costosas cuando se aplican a este tipo de problemas multidimensionales. En consecuencia, se suele analizar un número limitado de configuraciones, lo que resulta en productos subóptimos. Una alternativa está representada por las técnicas del método de orden reducido (ROM), que se basan en la idea de que el comportamiento esencial de los sistemas complejos puede describirse con precisión mediante modelos simplificados de bajo orden. Esta tesis propone una novedosa extensión del método de descomposición generalizada adecuada (PGD) para optimizar el proceso de diseño de la estructura de un automóvil con respecto a sus propiedades globales de rigidez estática y dinámica. En particular, el método PGD se acopla con la técnica de alivio de inercia (IR) y el método de potencia inversa (IPM) para resolver, respectivamente, el análisis de rigidez estática y dinámica paramétrica de una estructura de automóvil sin restricciones y extraer sus propiedades de ruido y vibraciones. Una ventaja principal es que, a diferencia de muchos otros métodos ROM, el enfoque propuesto no requiere ninguna fase de preprocesamiento para recopilar conocimiento previo de la solución. Además, la solución PGD se calcula con un solo cálculo fuera de línea y presenta una dependencia explícita de las variables de diseño introducidas. Esto permite calcular las soluciones con un coste computacional insignificante y, por lo tanto, abre la puerta a estudios de optimización rápidos y visualizaciones en tiempo real de los resultados en un rango predefinido de parámetros. También se propone un novedoso enfoque algebraico que permite involucrar tanto parámetros materiales como geométricos complejos, de modo que se puedan realizar estudios de optimización de forma. Además, el método se desarrolla en un formato no intrusivo, de modo que es posible la interacción con software comercial, lo que lo hace particularmente interesante para aplicaciones industriales. Finalmente, para apoyar a los diseñadores en el proceso de toma de decisiones, se desarrolla una aplicación de interfaz gráfica que permite visualizar en tiempo real cómo los cambios en las variables de diseño afectan a las cantidades de interés predefinidas.

El método presentado se desarrolló y probó con éxito en un caso práctico simplificado durante el programa de doctorado. El socio industrial, SEA T SA, contribuyó activamente a la definición del problema industrial y mostró un constante entusiasmo e interés por los resultados obtenidos. Como confirmación del éxito de este trabajo, en julio de 2022, el socio industrial me ofreció la oportunidad de incorporarme a la empresa para escalar el método a aplicaciones reales e integrarlo en el flujo de trabajo actual de SEA T. El proyecto se encuentra en la fase de "Prueba de Concepto". Desde el punto de vista metodológico, la aplicación del método a modelos de vehículos reales es sencilla y prevemos obtener resultados preliminares en los próximos seis meses.

Industria automotriz; Vehículos de calidad; Costos de producción; Procesos de diseño de calidad; Fase de diseño preliminar; Problemas paramétricos complejos; Características del material; Características geométricas; Componentes del automóvil; Comportamiento global del automóvil; Respuesta al ruido y la vibración (estudio NVH); Rigidez estática global; Rigidez dinámica global; Solución óptima; Combinaciones paramétricas; Simulaciones numéricas; Computacionalmente costoso; Problemas multidimensionales; Productos subóptimos; Técnicas del método de orden reducido (ROM); Modelos simplificados de orden bajo; Método de descomposición generalizada apropiada (PGD); Proceso de diseño optimizado; Estructura del automóvil; Técnica de alivio de inercia (IR); Método de potencia inversa (IPM); Análisis de rigidez estática paramétrica; Análisis de rigidez dinámica paramétrica; Estructura del automóvil sin restricciones; Propiedades de ruido y vibraciones; Sin fase de preprocesamiento; Conocimiento previo de la solución; Un cálculo fuera de línea; Dependencia explícita; Variables de diseño; Coste computacional insignificante; Estudios de optimización rápida; Visualizaciones en tiempo real; Rango de parámetros predefinidos; Nuevo enfoque algebraico; Parámetros de materiales; Parámetros geométricos complejos; Estudios de optimización de formas; Formato no intrusivo; Interacción con software comercial; Aplicaciones industriales; Aplicación de interfaz gráfica; Proceso de toma de decisiones; Cantidades de interés.