Análisis de la estabilidad de vehículos de gran porte mediante simulación computacional de interacción fluido-estructura

Abstract

En el contexto de la problemática multiobjetivo relativa al diseño de vehículos, el tratamiento de la estabilidad en marcha constituye un aspecto de gran relevancia que involucra importantes esfuerzos en lo referido a la labor ingenieril. La presente tesis ha planteado formalizar una contribución en el marco del abordaje computacional de dicho tópico, enfocándose en un caso particularmente crítico en cuestión: los vehículos de gran porte. Concretamente, se establecieron aportes en el contexto del desarrollo y validación de herramientas computacionales para la resolución de problemas de interacción fluido-estructura (FSI). El trabajo realizado involucró contribuciones en la predicción del flujo de aire alrededor de diferentes modelos de vehículos, en términos de criterios en la selección de estrategias y de implementaciones ligadas al tratamiento de la turbulencia. Asimismo, se destaca la concreción de un código de dinámica de sistemas multicuerpo rígidos. Finalmente, como núcleo procedimental, se ha implementado un código de interacción fluido-estructura que integra lo realizado previamente e incorpora, de forma adicional, el desarrollo de una estrategia para el tratamiento de la deformación de malla, con foco en su calidad. En términos generales, la metodología desarrollada en el marco FSI se ha aplicado sobre un conjunto de casos que abarcan desde un escenario de viento lateral hasta diferentes maniobras típicas en estabilidad, destacándose, entre otros aspectos, el logro de resultados comparables a un trabajo de referencia que hace uso de overset, y robustez en la estrategia de deformación de malla ante maniobras exigentes.

Vehicle design is inherently a multi-objective undertaking, and ensuring adequate dynamic stability remains a central concern in engineering practice. This thesis addresses the computational analysis of this problem, focusing on large road vehicles, for which stability-related issues are particularly critical. Specifically, contributions were made through the development and validation of a computational tool for solving fluid-structure interaction (FSI) problems associated with the analysis of lateral stability in these configurations. The work involved contributions to the prediction of airflow around different high-sided vehicle models, particularly through the selection and implementation of turbulence modelling strategies. It also included the development of a rigid multibody dynamics simulation code, with emphasis on its application to vehicle models and on establishing a modular architecture. Overall, these implementations were assessed against experimental and analytical reference results. Finally, the primary outcome of the work was a partitioned FSI code that incorporates the developments outlined above into the fluid and structural subproblem modules. In addition, the code includes a mesh-deformation module based on mesh-quality criteria for use within a body-fitted discretization framework. The FSI methodology developed in this thesis was applied to a set of cases ranging from a crosswind scenario to different manoeuvres commonly used in vehicle-stability assessment —including slalom and sine with dwell. Notable outcomes include results comparable to those reported in another numerical study using overset meshes, as well as robust performance of the mesh-deformation strategy under demanding manoeuvres.