Propuesta de mejora en el sistema estructural de un cuadro rígido de bicicleta de montaña de 15” R29, mediante FEA y optimización geométrica

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Resumen

En la actualidad la práctica del ciclismo ha tenido un incremento considerable, así como el uso de bicicletas de montaña (Mountain Bike, MTB, en inglés), de cuadro rígido, utilizadas como medio de transporte y para competencia, debido a su costo asequible. Este tipo de bicicletas, al ser utilizadas para varios propósitos, presentan esfuerzos variados en su cuadro, que conllevan a sobrepasar las exigencias de diseño, presentándose fallos en las vainas superiores. Este tipo de fallo es analizado en este estudio, motivo por el cual se levanta la información referente al material del cuadro, cargas actuantes y modelado 3D. Posterior se genera un análisis de homologación del fallo y se determina una propuesta de mejora aplicando optimización geométrica, donde se determina un espesor de 3,50 mm en las vainas superiores, garantizando la resistencia del cuadro de bicicleta bajo las condiciones de estudio; es decir, un drop de 60 cm y carga de 74 kg, con la cual se garantiza que el esfuerzo en las vainas superiores no sobrepase el esfuerzo último del material de 890,94 MPa.

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Sección
Ingeniería Mecánica

Referencias

S. M. Martín Mozas, Desarrollo de guía metodológica y ejemplo de análisis estático y a fatiga de cuadro de bicicleta. E. T. S. I. Industriales. Universidad Politécnica de Madrid, 2021. [Online]. Available: https://bit.ly/48wefnU

J. Freire, El sector de la bicicleta en cifras 2020. 30 Días en Bici, 2020. [Online]. Available: https://bit.ly/3ruvJAf

W. J. Jara Lupercio and M. A. Dunia Pauta, Beneficios sobre la salud derivados del uso de la bicicleta, frente a la contaminación ambiental y la pandemia SARS CoV-2. Revisión bibliográfica. Carrera de Cultura Física. Universidad de Cuenca, 2021. [Online]. Available: https://bit.ly/48rqrpO

J. Sanín Eastman, “El uso de la bicicleta como promotor de la movilidad sostenible: acciones y efectos en la movilidad cotidiana, el mejoramiento de la calidad del aire y el transporte público de las ciudades,” Revista Kavilando, vol. 12, no. 1, pp. 118–126, jun. 2020. [Online]. Available: https://bit.ly/45a030G

P. Cañizares Gómez de Terreros, Prediseño y análisis numérico de un prototipo de cuadro de bicicleta en CFRP. Universidad de Sevilla, 2016. [Online]. Available: https://bit.ly/3Pt8DSx

P. Navarro, J. Rui-Wamba, A. Campos, O. Antisench, C. Bañuelos, and M. Jordi, J. Rui-Wamba, Ingeniería de la Bicicleta. Fundación Esteyco, 2009. [Online]. Available: https://bit.ly/466mHIC

P. Bajpai, Carbon Fiber. Second edition. Cambridge, Elsevier, 2020. [Online]. Available: https://bit.ly/453CAOU

A. Paz Carvajal, L. M. Ríos Gamboa, G. F. Casanova García, A. Leyton, and J. J. García Álvarez, “Fabricación y caracterización mecánica de un laminado de fibra de carbono en matriz de resina epoxi,” Scientia et Technica, vol. 22, no. 3, pp. 262–267, 2017. [Online]. Available: https://bit.ly/465xoev

K. Khutal, G. Kathiresan, K. Ashok, B. Simhachalam, and D. Davidson Jebaseelan, “Design validation methodology for bicycle frames using finite element analysis,” Materials Today: Proceedings, vol. 22, pp. 1861–1869, 2020, 2nd International Conference on Materials Manufacturing and Modelling, ICMMM – 2019, VIT University, Vellore, 29th - 31st March 2019. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.03.085

Aszahara. (2010) Rotura tirante carbono Orbea Oiz, garantía. Foro MTB. Foro MTB. [Online]. Available: https://bit.ly/3ZvqFbf

NazcaCarbono. (2020) Caso de éxito: Reparación de una vaina totalmente seccionada. Nazca Carbono. [Online]. Available: https://bit.ly/3rsOqnP

UvesBikes. (2023) Reparar cuadro de bicicleta. Uves Bikes. Uves Bikes. [Online]. Available: https://bit.ly/3rAvt2u

C. Carlson Morales and A. L. Villarreal-Gómez, “Análisis de las 5 fuerzas de Porter aplicado a una refaccionaria de bicicletas y motocicletas,” Boletín Científico de las Ciencias Económico Administrativas del ICEA, vol. 8, no. 16, pp. 44–47, jun. 2020. [Online]. Available: https://doi.org/10.29057/icea.v8i16.5832

M. A. Guzmán and A. Delgado, “Optimising a shaft’s geometry by applying genetic algorithms,” Ingeniería e Investigación, vol. 25, no. 2, pp. 15–23, 2005. [Online]. Available: https://doi.org/10.15446/ing.investig.v25n2.14631

U. Khalid, O. M. A. Mustafa, M. A. Naeem, M. Y. M. Alkhateeb, and B. M. A. E. Awad, “Direct optimization of an automotive sheet metal part using ANSYS,” International Journal of Engineering and Management Sciences, vol. 5, no. 3, pp. 134–142, 2020. [Online]. Available: https://doi.org/10.21791/IJEMS.2020.3.14

ISO, ISO 4210-6:2023 Cycles – Safety requirements for bicycles – Part 6: Frame and fork test methods. Internacional Organization for Standardization, 2023. [Online]. Available: https://bit.ly/3LCmg0m

L. Parras, “Métodos alternativos de optimización de la geometría de estructuras articuladas,” Informes de la Construcción, vol. 35, no. 351–352, pp. 77–82, 1983. [Online]. Available: https://bit.ly/3Zy91DG

J. Fajardo, M. Villa, J. Pozo, and D. Urgilés, “Characterization of the tensile properties of an epoxy-carbon laminated composite used in the development of a single-seater Formula SAE type,” Enfoque UTE, vol. 10, no. 3, pp. 1–12, 2019. [Online]. Available: https://doi.org/10.29019/enfoque.v10n3.381

A. F. Rivas Bolívar, Análisis estructural de un marco rí´gido de bicicleta de montaña mediante el modelamiento de elemento finitos en el software ANSYS. Facultad de Ingeniería. Universidad de los Andes, 2019. [Online]. Available: https://bit.ly/48wxeP9

L. A. Vargas Martínez and J. M. Martínez Benavides, Estudio de propiedades mecánicas en láminas de fibra de carbono fabricadas mediante el proceso de laminación para elementos aeronáuticos. Universidad Tecnológica de Pereira, 2019. [Online]. Available: https://bit.ly/3PwqDvd

R. M. Jones, Mechanics of composite materials. Taylor and Francis, 1999. [Online]. Available: https://bit.ly/3ro9DiT

Facultad de Ingeniería, Metalografía Protocolo. Curso de Materiales. Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, Colombia, 2011. [Online]. Available: https://bit.ly/3t5aw0i

S. K. García Castillo, Análisis de laminados de materiales compuestos con precarga en su plano y sometidos a impacto. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras. Universidad Carlos III de Madrid, 2007. [Online]. Available: https://bit.ly/46ooad5

E. Monsalvo Barrera and J. Cortés Rico, Propuesta de diseño de una masa soporte en fibra de carbono para un vehículo mini-baja. Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional Autónoma de México, 2012. [Online]. Available: https://bit.ly/3ZsUl93

A. Solana Rodríguez, Cuadro de bicicleta en material compuesto. Departamento de Ingeniería Mecánica, Energética y de Materiales. Universidad Pública de Navarra, 2014. [Online]. Available: https://bit.ly/3ZzFkSP

ANSYS, Mesh Quality. ANSYSWorkbench, 2023. [Online]. Available: https://bit.ly/3RBFMyc

ASTM, ASTM D3039/D3039M-08 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International, 2014. [Online]. Available: https://bit.ly/3PzA6SJ

Y. Lugo Pérez, Modelación de un cuadro de bicicleta “Minerva” para la utilización de un nuevo material aplicando el MEF. Ingeniería Mecánica, 2006. [Online]. Available: https://bit.ly/3rtgUxQ

D. Vdovin, Y. Levenkov, and V. Chichekin, “Light frame design for quad bike using topology optimization,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 589, no. 1, p. 012026, 2019. [Online]. Available: https://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/589/1/012026