Aspectos a tener en cuenta durante el diseño de Sistemas de Contención de Vehículos. David Suárez Alonso

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1 Aspectos a tener en cuenta durante el diseño de Sistemas de Contención de Vehículos. David Suárez Alonso

2 Índice. 1. Introducción. 2. Vehículo Historia del MEF Conceptos básicos del software de simulación Evolución de los modelos Tiempo de cálculo Geometría Materiales Acelerómetro Dummy Cinturón de seguridad. 3. Barrera metálica Geometría Materiales Uniones. Page 2 4. Condiciones de contorno. 5. Resultados. 6. Conclusiones.

3 1- Introducción. El proceso de diseño y fabricación de cualquier sistema mecánico es un proceso largo y complejo. Antes de plantearse el diseño de cualquier elemento o parte de una máquina es imprescindible predecir el comportamiento de cada una de las piezas por separado así como las posibles interacciones entre ellas. Esta etapa debe ser el punto de partida para conseguir un diseño eficiente. Page 3

4 1- Introducción. El primer paso consiste en la creación de un modelo que tenga en cuenta los diferentes conceptos matemáticos y físicos que rigen el funcionamiento del sistema a construir. El resultado es un sistema de ecuaciones con diferentes incógnitas que determinan el comportamiento del objeto de estudio. En multitud de ocasiones los modelos están formados por infinidad de ecuaciones diferenciales. Desgraciadamente, el modelo necesario para nuestros diseños, no puede basarse en modelos más simples provenientes de resultados experimentales. No hay fórmulas ni leyes sencillas que predigan el resultado. La técnica numérica más utilizada por presentar mayores y mejores resultados es la denominada: Método de elementos finitos. Page 4

5 1.1- Historia del MEF. El Método de Elementos Finitos (MEF) comienza en 1943 por Richard Courant, quien utilizó el método de Ritz de análisis numérico y minimización de las variables de cálculo para obtener soluciones aproximadas a un sistema de vibración. Un documento publicado en 1956 por M. J. Turner, R. W. Clough, H. C. Martin, y L. J. Topp estableció una definición más amplia del análisis numérico. Se centró en la rigidez y deformación de estructuras complejas. La llegada de los primeros ordenadores instaura el cálculo matricial de estructuras. Éste parte de la discretización de la estructura en elementos lineales tipo barra, de los que se conoce su rigidez frente a los desplazamientos de sus nodos. Se plantea un sistema de ecuaciones resultado de aplicar las ecuaciones de equilibrio a los nodos de la estructura. Page 5

6 1.1- Historia del MEF. F= K * U F= Fuerzas o solicitaciones en nodos. K= Matriz de rigidez U= Desplazamiento en nodos. Entre el método da el salto definitivo a las computadoras. Existen más tipos de elementos según su geometría. Page 6

7 1.2- Conceptos básicos del software de simulación. La gravedad de un accidente no está determinada por la velocidad del vehículo previa a la colisión, sino por: el cambio de velocidad que el vehículo experimenta ( v) la rapidez con la que se produce este cambio (deceleración). La deceleración viene determinada por la masa y la rigidez de los objetos que colisionan entre sí. Antes de la colisión, el vehículo tiene una energía cinética dada por su masa (m) y su velocidad (v): Ec=1/2 mv2 Si detuviésemos el vehículo por completo, el impacto debería disipar toda esta energía. Durante la colisión, parte de esa energía es absorbida por el vehículo, transformándose en energía de deformación del vehículo, y parte es absorbida por la barrera. Page 7

8 1.2- Conceptos básicos del software de simulación. Cuando la barrera es muy rígida, toda la energía debe ser absorbida por el vehículo. Ej: un muro de hormigón. Durante la colisión, la deformación continúa hasta que se ha absorbido toda la energía involucrada en el accidente, El ocupante del vehículo está en peligro si: toda la energía cinética no es absorbida por el frontal del mismo y el habitáculo de pasajeros comienza a deformarse si el habitáculo es muy rígido. Entonces las fuerzas de la colisión provocan grandes deceleraciones en los ocupantes que pueden ocasionar lesiones de gravedad. Page 8

9 1.2- Conceptos básicos del software de simulación. Partes de un software de simulación. Pre-procesador: tiene aplicaciones específicas orientadas al sector de la automoción como son la implementación de airbags, cinturones de seguridad, modelos dummy, sensores, acelerómetros, etc. Permite el mallado del modelo, aplicación de cargas, velocidades, etc. Solver: realiza el cálculo. Post-procesador: permite la rápida y cómoda visualización de resultados que van desde gráficas de desplazamientos de los nodos, velocidades, aceleraciones, tensiones de Von-Misses, etc, hasta el cálculo de parámetros más específicos como el HIC (Head Injury Criterion) y el CSI (Chest Severity Index) que permiten evaluar el nivel de daños en la cabeza y el tórax, respectivamente. Page 9

10 1.3- Evolución de los modelos. Evolución en los tamaños de los modelos. 1986: elementos. 1990: elementos. 1995: elementos. 2000: elementos. 2005: elementos. Futuro: elementos. Page 10

11 1.3- Evolución de los modelos (3.439 Elementos) 1994 ( Elementos) Page 11

12 1.3- Evolución de los modelos ( Elementos) Page 12

13 1.4- Tiempo de cálculo. Modelo de elementos con un tiempo de simulación de 120 ms. Intel Xeon Six Core X GHz (128 nodos, 2 procesadores por nodo, 6 núcleos por procesador) total CPU s calcula en segundos = 32 minutos. Intel Dualcore Xeon 3.0 GHz DL140 (1 nodo, 2 procesadores por nodo, 2 núcleos por procesador) total 4 CPU s, calcula en segundos = 109 horas. Intel Xeon GHz (16 nodos, 2 procesadores por nodo, 2 núcleos por porcesador) total 64 CPU s, calcula en segundos = 7,5 horas. Page 13

14 1.4- Tiempo de cálculo. Gestor de colas y cargas de trabajo prioriza por usuarios, trabajos o recursos informa sobre la utilización de los recursos (aprovecha uso de Pc s ociosos), optimiza el uso de las aplicaciones, automatiza trabajos repetitivos, cálculos en paralelo Page 14

15 2- Vehículo. 2.1 Geometría. Prácticamente la totalidad del vehículo está modelado con elementos tipo SHELL de diferentes espesores. Destacar, sobre todo, las partes que conforman la estructura del vehículo como son los largueros delanteros y traseros, los largueros superiores e inferiores, el travesaño delantero, los pilares, el techo y las barras laterales, cuyo diseño es especialmente importante a la hora de minimizar los daños como consecuencia de la colisión. Dodge (1.300 Kgs) - Number of Solids Number of Beams Number of Shells Number of Elements Page 15

16 2- Vehículo. 2.1 Geometría. Ford Taurus (1.700 Kgs) Number of Parts Number of Nodes Number of Shells Number of Beams - 4 Number of Solids Number of Elements TB11 (900 Kg) TB21 y TB22 (1.300 Kg) TB31 y TB32 (1.500 Kg) Page 16

17 2- Vehículo. 2.1 Geometría. Page 17

18 2- Vehículo. 2.1 Geometría. Page 18

19 2- Vehículo. 2.1 Geometría. Page 19

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22 2- Vehículo. 2.1 Geometría. Page 22

23 2- Vehículo. 2.1 Geometría. Page 23

24 2- Vehículo. 2.2 Materiales La mayor parte del vehículo simulado, está constituido por materiales de comportamiento elasto-plástico en los que la tensión es linealmente dependiente de la deformación hasta que se supera el límite elástico. El material entra entonces en plasticidad y desaparece la linealidad entre tensión y deformación, experimentando grandes deformaciones lo cual contribuye a absorber la energía del impacto. Page 24

25 2- Vehículo. 2.3 Acelerómetro Es un dispositivo que se instala en puntos concretos de la geometría para medir las aceleraciones en distintas zonas. Una pieza en forma de cubo realiza la función de acelerómetro y lleva asociado un sistema de coordenadas local caracterizado por los ejes x,y,z. Se obtienen registros de aceleraciones que posteriormente se filtran mediante los CFC adecuados (igual que si se partiera de las aceleraciones de un ensayo real) con un software de cálculo del ASI. Page 25

26 2- Vehículo Dummy. Acelerómetros. Sensores de carga. Sensores de movimiento. Page 26

27 2- Vehículo Cinturón de seguridad. Existen elementos unidimensionales y bidimensionales específicos para simular el comportamiento del cinturón de seguridad. No es necesario definir la geometría para caracterizar su comportamiento, simplemente aportar funciones de carga y descarga que relacionan la fuerza axial resultante en el cinturón, con la deformación. Page 27

28 3- Barrera metálica. 3.1 Geometría Los perfiles utilizados como barandas o postes están modelados con elementos tipo SHELL de distintos espesores. En otras ocasiones, para componentes sólidos se utilizan elementos tipo SOLID. Page 28

29 3- Barrera metálica. 3.2 Materiales. Debemos tener en cuenta la variación del comportamiento del material que se produce en función de la velocidad de deformación. Una velocidad de deformación muy alta, implica el endurecimiento del material. Para ello las probetas se someten a tracción a distintas velocidades de deformación. También se realiza una simulación de la misma para ajustar al máximo el comportamiento del material. Page 29

30 3- Barrera metálica. 3.3 Uniones. La unión de todos los componentes se realiza mediante tornillería. Se utilizan elementos tipo barra a los que se les impone un comportamiento a tracción y cortante, obtenido también de ensayos de caracterización. Es posible además darle pre-tensión a las uniones y especificar las holguras de los colisos. Page 30

31 4- Condiciones de contorno. Son las relaciones que se establecen entre las partes que forman el problema para su posible resolución. Están incluidos los contactos, la velocidad inicial, los desplazamientos, las velocidades y las aceleraciones impuestas. Page 31

32 4- Condiciones de contorno. 4.1 Velocidad inicial. La velocidad inicial de todas las partes es cero por defecto, se especifica por tanto, la de los vehículos. 4.2 Gravedad. Se especifica la gravedad en el problema imponiéndole una aceleración en dirección vertical y sentido hacia abajo a todos los nodos. Page 32

33 4- Condiciones de contorno. 4.3 Vehículo: conexión y desplazamiento. Se usa un comando adecuado que une partes distintas aunque no sean continuas, para mantener los componentes del vehículo rígidamente unidos. Al estar unidas todas las partes del vehículo, y aplicarle las adecuadas condiciones de contorno al dummy para que se mantenga unido al asiento y a los cinturones de seguridad, el desplazamiento del vehículo simula el choque. Page 33

34 4- Condiciones de contorno. 4.4 Contactos. - Asiento y Dummy, Cinturón y Dummy, Vehículo y Barrera. Se definen contactos entre superficies que no permiten la penetración a través de ellas. En dirección tangencial al plano de contacto los esfuerzos resultantes son debidos al rozamiento entre partes quedando definidos los esfuerzos por los coeficientes de rozamiento estático y dinámico. - Ruedas y Suelo. Se utiliza una superficie plana caracterizada por su vector normal, se asocian a ella los nodos referentes a los cuatro neumáticos del vehículo, definiendo el coeficiente de fricción entre ambas partes para considerar que el ensayo se realiza bajo unas condiciones de firme seco. Page 34

35 4- Condiciones de contorno. En el archivo de inicio que se introducirá posteriormente en el solver se definen que tipo de datos, con que frecuencia se registran y el tiempo de cálculo. Para el cálculo del ASI trabajamos sobre los primeros 200 ms. Siendo, en este intervalo donde están comprendidos los valores extremos de deceleración que sufre el vehículo. El solver genera entonces archivos de salida que contienen información de esfuerzos, deformaciones, velocidades, aceleraciones, presión, temperatura y un largo etc. Después con el post-procesador se pueden visualizar los resultados obtenidos y trabajar con ellos en un entorno gráfico. Page 35

36 6- Conclusiones. El MEF: No es una varita mágica. Es una herramienta que necesita de ensayos reales para validar modelos, materiales, y para acercarse con seguridad a la solución. Permite desechar prototipos antes del ensayo real. Permite analizar un impacto desde diferentes ángulos de vista precisión. con Con el esfuerzo adecuado, consigue ser una gran herramienta de predicción del comportamiento de los nuevos prototipos. Page 36

37 Gracias, por su atención. David Suárez Alonso Responsable de I+D+i

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