Efeitos da flexibilidade estrutural em simulações de dinâmica lateral de veículo de transporte de carga

Abstract

Este trabalho apresenta uma análise multicorpos de combinação veicular de carga com chassi de semirreboque flexível, para avaliação de dinâmica lateral. O contexto é dado por um breve panorama do transporte rodoviário de cargas no Brasil. No intuito de melhorar seus produtos, os fabricantes de implementos rodoviários têm utilizado metodologias de desenvolvimento baseadas em simulação virtual. Nessas circunstâncias, análises dinâmicas são realizadas, geralmente levando-se em conta a hipótese de corpos rígidos (não deformáveis). Subjetivamente, é sabido que a inclusão da flexibilidade em um modelo numérico o aproxima do fenômeno real, mas são raros os trabalhos que analisam quantitativamente essa diferença. Assim, neste estudo é proposta uma abordagem para consideração da flexibilidade estrutural do chassi de um semirreboque em simulações de tráfego. Procede-se a discretização do quadro do implemento em elementos finitos, para realização de análise de vibração livre, na qual são determinados os modos (autovetores) e as frequências naturais (autovalores) da estrutura. Utilizando metodologia de superposição modal, os modos de vibração são classificados para compor, por combinação linear, a flexibilidade da estrutura nas análises dinâmicas em ferramenta comercial de MBS (sistemas multicorpos). São realizadas, então, simulações de manobras representativas da dinâmica lateral de combinações veiculares, com ênfase à estabilidade em rolagem. Os efeitos globais da inserção de flexibilidade modal no chassi do semirreboque são avaliados por meio de métricas específicas, baseadas em normas ISO de dinâmica lateral para veículos pesados. Os resultados das simulações, apresentados em forma gráfica e tabelas, mostram a grande influência da flexibilidade estrutural do chassi no desempenho dinâmico da combinação veicular analisada. Grandezas relevantes como aceleração lateral (no domínio do tempo e da frequência), ângulo de rolagem e força atuante nos pneus, além de fenômenos físicos como a transferência lateral de carga em curvas, são fortemente afetados pela flexibilidade do quadro. Agrega-se ao trabalho desenvolvido uma forma simplificada de equacionar analiticamente a rolagem de um semirreboque flexível. É realizada também uma análise de sensibilidade da rigidez torcional do chassi quanto ao número de travessas.

This work presents a lateral dynamics multibody analysis of a heavy articulated vehicle with a flexible frame for the semi-trailer. The context is given by a short perspective of the load carrying transportation scenery in Brazil. In order to build better products, the trailer manufacturers have been using development methodologies based on virtual simulation. In these circumstances, dynamic analyses are carried out, considering the hypothesis of rigid (non-deformable) bodies. Subjectively, it is known that the inclusion of flexibility in a numerical model brings it closer to reality, but very few studies work on giving numbers to this difference. Thus, this study presents an approach for taking into account the frame structural flexibility of a semi-trailer in traffic simulations. The frame of the semi-trailer is represented by a finite element model, and a free vibration analysis of this structure is carried out. The mode shapes (eigenvectors) and natural frequencies (eigenvalues) are determined. With a mode superposition method, the vibration modes are classified, for the purpose of building the structural flexibility (by linear combination) of the chassis in the dynamic analyses of the MBS software. Typical maneuvers of lateral dynamics are simulated, testing the roll stability of the combined vehicle model. The global effects for considering the mode flexibility in the semitrailer frame are evaluated through specific metrics, based on ISO standards for heavy vehicles lateral dynamics. The strong influence of the frame structural flexibility, when analyzing the articulated vehicle transient behavior, is showed by simulation results, which are presented in graphics and tables. Important measurements, such as lateral acceleration (in time and frequency domains), roll angle and vertical force on tires, besides physical phenomenon like lateral load transfer, are significantly modified by the flexibility of the frame. A simplified approach for writing the analytical equations of the flexible semi-trailer roll dynamics is added to the study. A torsional stiffness sensitivity analysis is also performed, regarding the number of transversal members in the semi-trailer chassis.