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Cómo Trek ha utilizado la simulación FEM para diseñar sus bicis

En su continua carrera para mejorar el rendimiento de la bici, los ingenieros de Trek querían expandir el uso de la simulación y cálculo FEM en su ciclo de diseño y entender mejor cómo se comportan las bicicletas bajo los trucos de sus corredores profesionales en el mundo real.

Al utilizar Abaqus de SIMULIA con el complemento TrueLoad, los ingenieros de Trek pudieron extraer las cargas reales soportadas por la bici en un circuito de pruebas y utilizarlas posteriormente en una simulacion mediante elementos elementos finitos. 

La simulación FEM proporcionó a los ingenieros de Trek nuevos conocimientos sobre el entorno de carga durante es casos de uso extremo y les ayudaron a llevar el diseño de sus bicicletas al siguiente nivel de rendimiento sin caer en el sobredimensionamiento. Ahora, un grupo más grande de ingenieros de Trek puede aprovechar estas capacidades adquiridas y utilizar los datos de campo para mejorar los procesos de pruebas de laboratorio y mejorar el rendimiento de los diferentes productos en toda la empresa.

El comienzo

Tanto si eres un ciclista de montaña como un ciclista de carretera, tu desafío es ir más lejos, pedalear más rápido, y llegar al siguiente nivel de rendimiento.

El equipo de ingeniería de Trek Bicycles sigue el mismo mantra, tanto en la investigación y desarrollo con simulación. Lo que empezó como una excursion al territorio de simulación para analizar ocasionalmente una estructura de materiales compuestos, se convirtió en un ejercicio riguroso durante la fase de desarrollo una vez que los ingenieros de Trek probaron cómo la metodología eleva el listón en la optimización del diseño.

“Más ligero, más rígido, más rápido y mejor calidad de conducción son objetivos comunes”, dice Jay Maas, ingeniero de análisis, que se incorporó a Trek en 2010 como especialista dedicado a ayudar a expandir los esfuerzos de simulación y que sale en bici casi todos los días. “No podríamos haber estado por delante de la competencia sin llevar nuestros análisis al siguiente nivel.”

Poniendo a prueba la simulación

Con sus 1.600 empleados en todo el mundo, 1,6 millones de bicicletas vendidas cada año, y mayor fabricante de bicicletas de carbono de América del Norte, se puede decir que Trek está haciendo buenos progresos en vencer a la competencia.

El fabricante de bicicletas dio su primer giro con la simulación en 2009, complementando su uso de las aplicaciones de diseño e ingeniería en 3D de Dassault Systèmes CATIA con la aplicación de análisis de elementos finitos (FEA) de Abaqus de SIMULIA. El uso inicial de las herramientas por parte de Trek se limitó principalmente a simular pruebas de laboratorio para ayudar a predecir las características de rendimiento de la rigidez de la bicicleta. Al predecir los valores de rigidez en el mundo virtual, podrían entender mejor las necesidades físicas de la bicicleta para cumplir los objetivos de rendimiento.

“Anteriormente habíamos estado haciendo más iteraciones de diseño y gastando recursos significativos para conseguir que el peso y la rigidez de la motocicleta alcanzara un objetivo con el que estábamos contentos”, recuerda Maas. “Usando la simulación para predecir que el peso y la rigidez antes de tiempo redujeron el número de ciclos necesarios para llegar a donde necesitábamos estar.”

Recién terminado con exito esos primeros análisis FEM, y con Maas y otro especialista a bordo para liderar la simulación, los ingenieros de Trek  estaban listos para realizar otros tipos de análisis.

Maas era un candidato perfecto para crecer la campaña de simulación, habiendo realizado un trabajo similar en el sector aeroespacial durante 12 años. Pero mejor aún, el conocimiento de la simulación de Maas encajaba con su pasión por todo lo relacionado con la bicicleta. “Fue perfecto, haciendo todo lo que me gusta de la ingeniería y usando Abaqus para diseñar un producto que me encanta, que son las bicicletas”, dice. La interfaz de usuario facil de Abaqus combinada con la integración de análisis implícitos y explícitos en un único conjunto de herramientas facilitó que Maas animara al equipo de ingeniería a aplicar los elementos finitos a otras iniciativas, desde bicicletas de montaña  hasta bicicletas de carretera.

Abaqus Trek

Trek mantiene muchas plataformas de bicicletas de montaña diferentes y cada plataforma tiene múltiples tamaños de bastidor, sumando una gran cantidad de configuraciones. “Tenemos muchas decenas de bicicletas con muchos casos de carga cada una corriendo durante todo el año”, dice Maas. “Es una enorme cantidad de trabajo.”

Una vez que el equipo comenzó a adoptar el análisis de elementos finitos, los ingenieros se interesaron en aplicar las herramientas para abordar otras cuestiones además de los casos de prueba estándar en el laboratorio. Un tema de interés fue entender más acerca de lo que sucede con las bicicletas cuando están siendo montadas en la montaña, especialmente por los corredores profesionales de Trek, que se especializan en trucos que desafían la gravedad. Durante estos eventos, las bicicletas de los corredores profesionales pueden experimentar condiciones de carga extremas.

“Estos ciclistas llevan las bicicletas más allá del uso que le da un consumidor medio y son hipersensibles a las variaciones de rigidez y a dónde se encuentra esa rigidez dentro de la bicicleta”, explica Maas. “También se esfuerzan por conseguir una conducción más rápida, ligera y de mejor calidad para poder sobresalir. y ganar carreras lo que, a su vez, nos empuja a diseñar más rápido y bicicletas más ligeras sin comprometer la resistencia, durabilidad y calidad de conducción”.

Llevándolo al extremo

Fue entonces cuando el equipo de Trek se cruzó con Wolf Star Technologies, un socio de SIMULIA que ofrece TrueLoad, una solución complementaria que podría aprovechar los modelos FEA existentes de Trek para identificar las ubicaciones óptimas en las que colocar galgas extensométricas en las bicicletas físicas y luego calcular la carga posterior. El presidente de Wolf Star, Tim Hunter, desarrolló y refinó la tecnología a lo largo de sus décadas de trabajo en una importante empresa de motocicletas. Una vez que las datos son recolectadas, estos se leen en TrueLoad para calcular los historiales de tiempo de carga que se garantizan para emparejar la tensión medida dentro del 2%. Esto permitió al equipo de Trek cuantificar con precisión las cargas creadas en el campo y luego comparar las carga con las pruebas de laboratorio actuales.

“Jay (Maas) se dio cuenta de la necesidad de capturar la carga real soportada por los sus cuadros de las bicis con el fin de realizar una simulación que coincidiera con el mundo real”, dice Hunter. TrueLoad era una herramienta que podía proporcionar una solución limpia y completa para satisfacer esas necesidades”.

El equipo de Trek trabajó en unos senderos que sirvieron como laboratorio al aire libre, perfecto para probar en condiciones extremas de conducción. El equipo escogió dos de los senderos más extremos para probar su combinación de simulación Abaqus y TrueLoad para los casos de carga de la bici. El primero fue el Deer Hunter, una gran caída capaz de comprimir completamente la suspensión trasera y el segundo fue el Mojo, un salto también capaz de comprimir completamente la suspensión trasera, pero que permitió al ciclista girar la bicicleta.

El equipo empleó un sistema de adquisición de datos a bordo en miniatura, que era lo suficientemente pequeño como para no obstaculizar al piloto, y equipó una bicicleta Session 29er con 12 galgas extensométricas, tres acelerómetros triaxiales, un potenciómetro lineal, un sensor de efecto Hall, un arnés de cables y un sistema de transporte diseñados a medida, y una batería a bordo. También utilizaron cámaras de alta velocidad y video Go Pro para capturar el evento.

Abaqus-Trek

Usando True-Load y Abaqus, el equipo estableció un modelo estático lineal en el que las condiciones de contorno y los casos de carga reflejaban los datos recogidos en el cuadro de la bicicleta. El modelo de material y la malla también reflejaban la ubicación y orientación exactas del calibre extensométrico que no habrían sido posibles sin Abaqus y TrueLoad, dice Maas.

Los datos de deformación se extraen para el momento en el que la bicicleta está en un estado casi estable y cuando la suspensión está completamente comprimida. Esto también corresponde a la carga máxima durante el evento. Estos datos de deformación se utilizan en TrueLoad/PostTest, donde las cargas se escalan a lo largo del tiempo para minimizar los errores entre las deformaciones en el modelo FEM y las deformaciones medidas. Las cargas resultantes crearon una correspondencia casi perfecta entre la deformación simulada y la deformación medida.

Trek-bikes abaqus simulia

El momento de las conclusiones

El trabajo de análisis confirmó que las cargas producidas por los pilotos profesionales pueden superar las generadas en el uso normal. Los ingenieros de Trek también aprendieron que la parte de carga en la parte trasera de la bicicleta es diferente para cada modelo de bicicleta.

El ejercicio ahora les da un proceso para determinar las cargas del mundo real para otras bicicletas en el futuro. Al entender la distribución de la carga en la parte trasera de la bicicleta y cómo los ciclistas profesionales pueden causar diferentes tipos de esfuerzos, el equipo de ingeniería puede realizar cambios específicos en el diseño que respondan mejor a las necesidades de rendimiento de todo tipo de ciclistas.

Los ciclistas profesionales de Trek no serán los únicos beneficiarios de las nuevas capacidades de la simulación y cálculo mediante elementos finitos. Maas dice que este proyecto inicial “TrueLoad” ha despertado nuevamente el interés de los ingenieros de Trek, muchos de los cuales ahora están listos para trabajar con sus propias simulaciones en diferentes plataformas de bicicletas.

Maas dice: “Corremos para mejorar las bicicletas. Es lo que impulsa nuestro desarrollo y seguiremos manteniendo informados a los demas grupos de ingeniería sobre todas estas capacidades para que podamos extrapolar nuestras herramientas y métodos y permitir que todo el mundo los aproveche. Creemos que esto hará que las bicicletas sean mejores para todos los ciclistas”.

El presente y futuro del diseño de las nuevas bicicletas pasa por la simulación y cálculo mediante elementos.

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PD: Cover photo by Lorenzo Cerato on Unsplash