Artículo Congreso / Congress Paper
Recibido: 10-12-2019, Aprobado tras revisión: 20-01-2020
Forma sugerida de citación: Cepeda, J.; (2020). “Primer Laboratorio de Ensayos Estructurales Virtuales de Autobuses en
Latinoamérica: Innovación y Acreditación”. Revista Técnica “energía”. No. 16, Issue II, Pp. 168-176
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
© 2020 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
First Latin American Laboratory for Virtual Structural Tests in
Transport Buses: Innovation and Accreditation
Primer Laboratorio de Ensayos Estructurales Virtuales de Autobuses en
Latinoamérica: Innovación y Acreditación
J.L. Cepeda
1
1
Corporación Ingeniería Avanzada COINAV del Ecuador S.A., Ambato, Ecuador
E-mail: jorge.cepeda@coinav.com
Abstract
Traffic accidents cause more than 5000 fatalities per
year in Ecuador. And when talking about public
transport, bus overturns cause concern with no less
alarming figures, and that are increasing. Given this
perspective, it is necessary for buses to be tested and
to ensure that they protect the integrity of people
before they go out. Does this involve destroying
buses and injuring people to prove they are safe? No
way. Thanks to the technology incursion of the
fourth industrial revolution, it is possible to model,
simulate, optimize and have a better understanding
of what happens during an impact or rollover. The
Finite Element Method is used to execute rollover
tests, but a well-planned and implemented
systematization is necessary for the method to be
applied properly. The main innovation is the use of
an appropriately applied technology, which manages
to verify the safety of buses that circulate in Ecuador
and Latin America, avoiding destroying buses,
saving raw materials of already built buses, not
wasting hours / man. Save lives.
Index terms Accreditation, Laboratory, Structural
Tests, Finite Elements, HyperWorks, Rollover
Resumen
Los accidentes de tránsito causan más de 5000
víctimas mortales por año en el Ecuador. Y al hablar
de transporte público, las volcaduras de autobuses
causan preocupación con cifras no menos
alarmantes, y que van en aumento. Ante esta
perspectiva, es necesario que los autobuses sean
probados y se garantice que protegen la integridad
de las personas antes de que salgan a circulación.
¿Implica esto destruir buses y herir personas para
probar que son seguros? De ninguna manera.
Gracias a la incursión de tecnologías de la cuarta
revolución industrial, es posible modelar, simular,
optimizar y tener un mejor entendimiento de lo que
sucede durante un impacto o volcadura. El Método
de elementos finitos es usado para ejecutar ensayos
de volcadura, pero es necesaria una sistematización
bien planificada e implementada para que el método
se aplique de manera adecuada. La innovación
principal lo constituye el uso de una tecnología
aplicada de manera adecuada, que logra verificar la
seguridad de los autobuses que circulan en Ecuador
y Latinoamérica, evitando destruir autobuses,
ahorrando materias primas de autobuses ya
construidos, no desperdicio de horas/hombre. Logra
salvar vidas.
Palabras clave Acreditación, Laboratorio, Ensayos
Estructurales, Elementos Finitos, HyperWorks,
Volcadura.
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Edición No. 16, Issue II, Enero 2020
1. INTRODUCCIÓN
La importancia de la seguridad que brinden los
autobuses dentro del transporte terrestre de personas en
el Ecuador es enorme. Solamente en Quito, se estima
que 1’100.000 personas utilizan el servicio, al día [1].
Un gran porcentaje de la capital del Ecuador. Y la base
de la mencionada importancia radica en que los
autobuses están llamados a brindar protección a la
integridad física de las personas que se transportan en
ellos en caso de accidente.
Las alarmantes cifras que proporciona Justicia Vial
[2] hablan de más de 5000 víctimas mortales de
accidentes de tránsito por año. Los siniestros de
magnitud, (cuando existen más de 15 víctimas entre
muertos y heridos) tienen una periodicidad de 24 días,
versus la Comunidad Europea, que es de 720 días [2].
Específicamente, dentro de los principales tipos de
colisiones en los que se ven involucrados los vehículos
móviles y los autobuses (como tema principal de
análisis), la volcadura o volcamiento genera
preocupación debido al alto índice de personas
gravemente heridas que se suscitan cuando ocurre.
Según el Informe Anual de Accidentes de Tránsito
2007-2016 de la Comunidad Andina [3], los accidentes
por volcadura presentan un incremento promedio de
10% entre los años 2006 y 2017.
Ante esta realidad, es necesario que se demuestre de
alguna forma si los autobuses que circulan por las vías
protegen de manera adecuada a sus ocupantes en caso
de volcadura. Y la demostración viene dada cuando el
autobús es sometido a una prueba de volcadura, en la
cual, se hace volcar un autobús en condiciones
controladas.
Tanto autoridades nacionales como organismos
internacionales se han encargado de regular las pruebas
que permitan evaluar el comportamiento de los
autobuses ante choques e impactos. Se plantea dos
alternativas [4]:
1. Evaluación de comportamiento de autobuses ya
construidos (Pruebas de choque de buses reales)
2. Otras opciones tecnológicas enmarcadas dentro
de la Industria 4.0
La alternativa No. 1 presenta varias aristas
complicadas desde el punto de vista personal, al poner
en peligro vidas humanas, económico (situación actual
del país), técnico de costos (altos costos de un autobús
para destruir en pruebas), industrial (fabricantes
ecuatorianos en crisis) y de gran inversión.
Con la perspectiva esbozada para la alternativa No.
1, es inevitable voltear la mirada al análisis de
viabilidad de la segunda alternativa como objetivo de la
presente investigación: ¿Es posible realizar Pruebas de
Choque de autobuses de otra manera que no sea destruir
autobuses reales?
Para iniciar a responder la pregunta planteada, el
lector debe ubicarse en los albores de la Cuarta
Revolución industrial, la cual, según los especialistas,
está iniciando (o ha dado inicio) [5]. Con la nueva gama
te tecnologías que fusionan los mundos físico, digital y
biológico [5], la influencia en disciplinas clásicas como
la mecánica de sólidos y el estudio de colisiones
vehiculares es enorme, y constituye un cambio de
paradigma respecto de lo que se conocía hasta hace
algunos años [6].
En este punto es importante notar el giro de la
fabricación de productos a nivel mundial, en el cual,
cada vez se requiere menos pruebas físicas, dado que se
ha demostrado que se obtienen los mismos resultados
con pruebas virtuales, como es el caso de Boeing [7]. Y
esto tiene claros motivos:
- Reducción de horas de pruebas físicas, dado que
se dispone de las metodologías probadas y
validadas para obtener resultados reales
- Reducción de tiempo de desarrollo de productos,
con lo cual el costo total de desarrollos baje
sustancialmente [8]
- Ahorro de materias primas en la ejecución de
pruebas físicas que puedan ser reemplazadas por
pruebas virtuales, con lo cual el medio ambiente
no se ve afectado con chatarra que no se puede
reciclar, como es el caso de varios componentes
electrónicos [9].
En términos de la acción por el clima al aplicar de
tecnologías de simulación, los ingenieros de diseño
modernos tienen en su enfoque la implementación de
metodologías que permitan el ahorro de materias primas
y el mejoramiento de los procesos productivos [10]. En
el Ecuador, el laboratorio virtual de carrocerías de
autobuses recoge esta conciencia ambiental. El análisis
más importante es la eliminación de chatarra de
autobuses impactados, los cuales, para su construcción,
consumen grandes cantidades de energía, y producen
grandes cantidades de emisiones de carbono [11]. El
objetivo es usar ese material en nuevos productos que
tengan real utilidad [12]. El impacto ambiental mide
términos de huella de carbono, consumo de energía e
impactos en el aire y en el agua, la cual, según estudios,
mejora de manera categórica al usar tecnología de
simulación virtual para sus pruebas [10, 11, 13, 14],
debido a que se ha encontrado que los componentes
probados virtualmente poseen un impacto ambiental
mínimo.
Se conoce de la implementación de laboratorios con
alcances mayores a nivel internacional, específicamente
en España, con el Laboratorio de la UPM denominado
INSIA, el cual nace con la consigna de probar los
autobuses fabricados en ese país con tecnología tanto
virtual como física. Según los resultados del informe
[12], se ha logrado bajar la cantidad de personas
fallecidas en accidentes de autobuses en el período del
2000 al 2013 en un 5.7%. La existencia de un
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Cepeda / Primer Laboratorio de Ensayos Estructurales Virtuales de Autobuses en Latinoamérica
laboratorio global llamado IDIADA [15], el cual cuenta
con modernas pistas de pruebas.
La tecnología en la actualidad es capaz no solamente
de recrear colisiones en computador, a través de
software especializado desarrollado para el efecto, sino
que puede hacerlo con total apego a la realidad. El
Método de Elementos Finitos FEM (Finite Element
Method, por sus siglas en inglés) y su uso aplicado a
través de computadores es el principal ejemplo de la
tecnología usada en la actualidad.
La bibliografía [16] reporta que los resultados
obtenidos aplicando FEM son aceptables, en tanto y en
cuanto se aplique dicho método con determinadas
condiciones que aseguren la calidad de los resultados
[17].
Es en este punto donde se hace necesaria la
incursión de una sistematización en la aplicación del
FEM para estudio de volcadura de autobuses, la cual,
asegure que la calidad de los resultados de los ensayos
sea óptima en todo momento. Y aquí es donde surge
también la necesidad de la creación y desarrollo de un
laboratorio virtual, el cual, reciba el reconocimiento
formal de su competencia para efectuar la aplicación del
FEM para la evaluación de volcaduras y colisiones en
autobuses.
El análisis expuesto en el párrafo anterior despierta
el interés del estudio e implementación de un
Laboratorio de Autobuses en el mundo virtual. El
objetivo de las siguientes líneas es describir el
desarrollo de metodologías sistemáticas para el
establecimiento de un Laboratorio de Evaluación de
Autobuses Virtual que cubra los requisitos necesarios
para ser reconocido a nivel internacional.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
El desarrollo de la presente investigación se dividirá en
dos partes:
2.1 Desarrollo de metodología para aplicación
práctica del método de ensayo (basado en [18])
El Método de Elementos Finitos es una herramienta
efectiva para simular el comportamiento de partes de
geometría compleja ante fenómenos de impacto [19,
20], debido a que provee una manera efectiva de medir
las distribuciones de esfuerzos y deformaciones
unitarias, muy difíciles de obtener de otra manera [21,
22].
En los análisis dinámicos, una excitación transitoria
es una carga altamente dinámica y dependiente del
tiempo aplicada sobre un componente, en este caso, un
impacto. La ecuación gobernante del sistema es (1)
[23]:
Que se conoce como la Ecuación de Movimiento de
Newton [24]. La matriz M corresponde a la matriz
global de masa, la matriz K corresponde a la de rigidez
global del sistema, C es la matriz de coeficientes de
amortiguamiento (determinados experimentalmente) y
D es el vector de todos los desplazamientos de todos los
nodos del sistema. La relación entre las variables
determina el comportamiento del sistema.
En función de la aplicación práctica del principio
fundamental esbozado, se desarrolló la metodología
práctica para la ejecución de ensayos virtuales de
volcadura, la cual incluye [18], véase Fig. 1:
- Análisis de planimetría del autobús a ser
ensayado (en 2D). dicha planimetría debe ser
desarrollada por el fabricante de la carrocería
- Modelado geométrico del autobús (en 3D), con
el objetivo de replicar en la computadora el
autobús con el mayor detalle posible.
- Modelado matemático del autobús, es decir,
señalar coordenadas de puntos para
posteriormente encontrar cargas y
deformaciones.
- Modelado de cargas: aplicación del peso de
pasajeros y demás cargas que se presentan en un
autobús
- Evaluación de resultados: análisis del
comportamiento estructural del autobús.
El mapa de metodologías se muestra en la fig. 1
2.2 Uso de Metodologías en la práctica
En el campo de Evaluación estructural y de vuelco
de autobuses, y siendo la primera empresa de ingeniería
en el Ecuador que realiza evaluaciones de autobuses,
COINAV S.A. ha desarrollado sus propias metodologías
y KnowHow, y con ello, ha resuelto problemas de
diseño en la industria de fabricación de autobuses
aplicando Ingeniería Asistida por Computador y la
tecnología de HyperWorks®.
El proceso inicia con la revisión de planos 2D
enviados por las empresas fabricantes o importadores de
autobuses. En este paso se evalúa la calidad con la que
son efectuados los planos. Seguidamente se realiza el
modelado en 3D de la estructura del autobús, a pleno
detalle, para representar todos los refuerzos
estructurales que aportan al autobús. El modelado
matemático es el proceso más importante, en el cual se
realiza una discretización de la estructura del autobús
usando HyperWorks. Por último, se simula las cargas
críticas que soporta la estructura, se soluciona el análisis
de elementos finitos y se obtiene los resultados que
permiten saber el comportamiento estructural del
autobús. Ver Fig. 2.
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