Simulación y evaluación experimental de amortiguadores con fluidos no newtonianos: un enfoque a través del Modelo de Bouc-Wen

Abstract

La construcción de modelos matemáticos en ingeniería es un paso vital a la hora de simular el comportamiento de sistemas mecánicos complejos. En el sector del automóvil, estos modelos permiten analizar y desarrollar sistemas mediante herramientas computacionales, lo que reduce significativamente los costes asociados al desarrollo y la innovación de nuevas soluciones tecnológicas. La complejidad de estos modelos puede variar, ofreciendo distintos niveles de fidelidad respecto al comportamiento real del sistema. En particular, el modelado de sistemas no lineales ha sido ampliamente estudiado, y existen diversas metodologías para capturar su dinámica. Un caso de interés son los modelos de amortiguadores, los cuales tratan de reproducir las fuerzas de amortiguamiento, así como la histéresis observada en los ensayos experimentales. En este Trabajo de Fin de Máster, se hace énfasis en el modelo modificado de Bouc-Wen, un modelo capaz de captar los fenómenos de histéresis y que ha sido utilizado recientemente en múltiples aplicaciones similares, como el modelado de amortiguadores magnetorreológicos. El sistema a modelar resulta una apuesta innovadora y en auge: amortiguador con geometrías regulables basado en fluidos no newtonianos. Este trabajo se enmarca en el contexto del proyecto de investigación ProyExcel_00181. El departamento donde se desarrolla cuenta con la patente del diseño de dicho amortiguador. Las propiedades de estos fluidos permiten su aplicación en este tipo de sistemas, facilitando además la fabricación de los mismos, debido al mayor tamaño de las geometrías frente a los amortiguadores convencionales. Su independencia a fuentes de energía externa (corrientes eléctricas o campos magnéticos) hacen de este amortiguador un sistema seguro y efectivo ante cualquier perturbación. Debido a la naturaleza del modelo, se realizan ensayos experimentales del amortiguador, por medio de una máquina de ensayos vertical. De esta forma, se valida un modelo capaz de representar fielmente el comportamiento del amortiguador, ante distintas condiciones de configuración de amortiguamiento y de temperatura. Los resultados obtenidos satisfacen los objetivos planteados en este trabajo.The construction of mathematical models in engineering is a vital step in simulating the behavior of complex mechanical systems. In the automotive sector, these models enable the analysis and development of systems using computational tools, significantly reducing the costs associated with the development and innovation of new technological solutions. The complexity of these models can vary, offering different levels of fidelity with respect to the real behavior of the system. In particular, the modeling of nonlinear systems has been widely studied, and various methodologies have been developed to capture their dynamics. One area of interest is the modeling of dampers, which aim to reproduce damping forces as well as the hysteresis observed in experimental tests. In this Master's Thesis, emphasis is placed on the modified Bouc-Wen model, a model capable of capturing the hysteresis phenomena and which has recently been used in many similar applications, such as the modeling of magnetorheological dampers. The system to be modeled is an innovative and booming system: a damper with adjustable geometries based on non-Newtonian fluids. This work is framed in the context of the research project ProyExcel_00181. The department where it is developed has a patent for the design of this damper. Due to the nature of the model, experimental tests were carried out using a vertical testing machine. This allowed for the validation of a model capable of accurately representing the damper’s behavior under various damping configurations and temperature conditions. The results obtained meet the objectives set out in this work.