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Para entrar con éxito en el creciente mercado de los vehículos eléctricos, Renault ha querido crear un nuevo diseño de motor. En lugar de autolimitarse con diseños y procesos ya existentes que a menudo son inadecuados para manejar tanto el placer de la conducción como los requerimientos de la producción en masa, se proporcionó a los equipos la oportunidad de empezar desde cero, a la vez que se respetaron las restricciones estándar de tiempos de ejecución, presupuestos y calidad.

En particular, un grupo liderado por el Sr. Patrick Orval estuvo a cargo del análisis estructural para el rotor bobinado del motor. En las primeras fases utilizaron Maple y empezaron rápidamente con aproximaciones de primer orden del rotor. Obtuvieron unas primeras aproximaciones de cómo se comportarían los componentes con diferentes parámetros y condiciones de trabajo, lo que les permitió realizar selecciones precisas para las principales dimensiones.

Después de analizar este primer conjunto de resultados, también comprendieron qué temas podrían demandar mayor fidelidad. A partir de aquí, siguieron desarrollando los correspondientes modelos matemáticos en Maple basándose en las ecuaciones físicas. “Compo principiante, encontré que Maple es muy manejable e intuitivo," remarca el Sr. Orval. “Empezamos construyendo modelos matemáticamente sencillos, y fuimos capaces de obtener resultados en línea con los objetivos del proyecto. Utilizando toda la riqueza del soporte interno del producto y en línea y los recursos, fuimos capaces de ganar confianza y desarrollar modelos más sofisticados en una corto espacio de tiempo.”

Un tema en particular, con una complejidad creciente que se resolvió con Maple fue el de la ranura que mantiene el cable del rotor en su sitio para asegurar la fiabilidad tanto con cargas máximas como en el funcionamiento a largo plazo.

Al modelar la desviación de la ranura bajo cargas centrígugas y térmicas, determinaron una sencilla regla inicial basada en la resistencia a la flexión. Teniendo en cuenta los datos de los competidores, seleccionaron el grosor y el material apropiado para la ranura.


Figura 1: Modelado de la ranura como aproximación de primer orden

Gracias a este sencillo modelo, se detectó una oportunidad para reducir la masa del rotor (cuanto más ligero mejor, pues el automóvil puede ir más lejos con la misma carga de la batería). Imaginaro una solución representada como dos grosores que estuvieran 'conectados matemáticamente' en Maple para crear una aproximación de primer término de una nueva ranura. Esto se realizó mediante un análisis parametrizado, de forma que pudieron determinar fácilmente un conjunto viable de dimensiones para su 'nueva forma' de ranura. Entonces investigaron la librería de factores de concentración para limitar las tensiones en el punto donde el grosor de la ranura cambió, y realizaron análisis de elementos finitos (FEA) para validar el diseño completo.


(a) Corte transversal de la "nueva forma" para la ranura

(b) Optimización dinámica en Maple para dos parámetros (e0, L0)
Figura 2: 5% de reducción en la masa del rotor

Este trabajo no solo permitió al equipo reducir la masa del rotor, sino que también les llevó a una patente de diseño. Describiendo este éxito el Sr. Orval dice "Maple fue fundamental para ayudar a definir el rotor de la transmisión eléctrica de tercera generación. Su amplitud nos permite crear modelos que se ajusten perfectamente a nuestras necesidades y obtener destacados resultados desde los principios del proceso de diseño. Además, el trabajo realizado con Maple contribuye significativamente en reducir nuestros costes de ingeniería al permitirnos incorporar tecnología de terceras partes como FEA."

Después de desarrollar la ranura, el equipo se dedicó a examinar las tensiones internas resultantes en los cables del sistema. Entre otros factores, las tensiones internas están determinadas por la rigidez de los cables y la fricción entre la ranura y la pila de hojas de metal - ambas eran totalmente desconocidas y difíciles de determinar. Previamente, habrían utilizado un modelo de elementos finitos. Sin embargo, esa aproximación hubiera requerido una tediosa cantidad de iteraciones prueba y error, y el equipo se encontraría con dificultades con la convergencia numérica. En cambio, utilizando Maple, el equipo pudo modelar características no lineales como la fricción entre la ranura y la pila, y las pérdidas locales del contacto entre los cables y la ranura a grandes velocidades de revolución. Esperaban obtener buenos resultados físicos, porque el conjunto de ODE y las condiciones que gobiernan la desviación de la ranura estaban completamente acopladas.

Recapitulando esta fase del proyecto, el Sr. Orval concluyó “Maple redujo en gran medida la necesidad del aprendizaje experimental. Tanto las escalas temporales del desarrollo como la fiabilidad de rotor están en línea con las expectativas del proyecto - una combinación que no se hubiera alcanzado sin el uso de Maple.” A medida que el Sr. Orval y sus colegas trabajen en fases subsecuentes del proyecto planean seguir utilizando Maple para analizar y validar sus opciones de diseño, permitiéndoles la mejora del producto final.

 

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