PRESENTE Y FUTURO DE LA SIMULACIÓN POR ELEMENTOS FINITOS PARA OPTIMIZACIÓN DE SISTEMAS DE CONTENCIÓN

Transcripción

1 PRESENTE Y FUTURO DE LA SIMULACIÓN POR ELEMENTOS FINITOS PARA OPTIMIZACIÓN DE SISTEMAS DE CONTENCIÓN Cristina Rodríguez Fernández Responsable de I+D+i IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad Tenerife, 24 de noviembre de 2011

2 INDICE 1 2 Introducción Concepto general del método Simulación por elementos finitos desarrollo de producto Análisis de un caso real de optimización Situación normativa 6 Futuro de la simulación 7 Conclusiones < 2 >

3 INDICE 1 2 Introducción Concepto general del método Simulación por elementos finitos desarrollo de producto Análisis de un caso real de optimización Situación normativa 6 Futuro de la simulación 7 Conclusiones < 3 >

4 Introducción - Concepto general del método Método de los elementos finitos (MEF) Sistema continuo con infinitos grados de libertad Sistema con un número finito de grados de libertad Nodos Grados de libertad: Desplazamientos y giros en los nodos < 4 >

5 Introducción - Concepto general del método En cualquier sistema se puede distinguir entre: Dominio: espacio geométrico donde se va a analizar el sistema Condiciones de contorno: variables conocidas y que condicionan el cambio del sistema (cargas, desplazamientos, temperaturas ) Incógnitas: variables del sistema que se desean calcular después de que las condiciones de contorno han actuado sobre el sistema Contorno Condiciones de contorno Dominio tras haber actuado las condiciones de contorno Dominio < 5 >

6 INDICE 1 2 Introducción Concepto general del método Simulación por elementos finitos desarrollo de producto Análisis de un caso real de optimización Situación normativa 6 7 Futuro de la simulación Conclusiones < 6 >

7 Simulación por elementos finitos desarrollo de producto Método ensayo error : sucesión de mejoras iterativas en prototipos físicos Elevado coste económico y en tiempo de desarrollo Prototipo 1 Ensayo 1 Prototipo 2 Prototipos físicos Producto Prototipo n Ensayo 2 Ensayo n < 7 >

8 Simulación por elementos finitos desarrollo de producto MEF: método aproximado complementario a los ensayos Disminuye el nº de prototipos físicos necesarios Prototipo 1 Prototipo 2 Prototipos virtuales Producto Prototipo n MEF Prototipo n Ensayo Prototipos físicos < 8 >

9 INDICE 1 2 Introducción Concepto general del método Simulación por elementos finitos desarrollo de producto Análisis de un caso real de optimización Situación normativa 6 7 Futuro de la simulación Conclusiones < 9 >

10 Vehículo Sistema de contención Interacción vehículo - sistema Crash - test < 10 >

11 Vehículo Dominio Geometría de diseño Geometría para simulación Mallado Sistema de contención Terreno Materiales, condiciones de contorno, Resolución Postproceso < 11 >

12 Geometría de diseño Componentes del sistema Abatimientos al terreno Longitud de ensayo Geometría de diseño Geometría para simulación Mallado Geometría simulación Geometría simplificada Materiales, condiciones de contorno, Resolución Mallado Postproceso < 12 >

13 Material Sistema de contención Terreno Geometría de diseño Geometría para simulación Mallado Uniones atornilladas Contactos: ruedas-suelo, ruedassistema, sistema-sistema, Materiales, condiciones de contorno, Resolución Postproceso < 13 >

14 Resolución Geometría de diseño Postproceso Desprendimiento de piezas Tensiones/deformaciones Balances energéticos WW, DD, ASI, THIV, PHD, etc. Gráficos, videos Geometría para simulación Mallado Materiales, condiciones de contorno, Resolución Postproceso < 14 >

15 La simulación por MEF permite la optimización del sistema componente a componente mediante análisis simplificados de subsistemas Otros componentes Uniones atornilladas A. Valla (geometría, espesor ) B. Poste (espesor, longitud, longitud de hincado ) Sistema BMSNA2C (OC 28/2009) < 15 >

16 Simulación Ensayo físico Los resultados obtenidos con la simulación reproducirán con fidelidad el comportamiento real, siempre y cuando las condiciones del ensayo real sean las mismas que las consideradas en los ensayos virtuales. Para ello es preciso asegurar que se respete: Propiedades mecánicas de los materiales empleados Geometría de los elementos y su ensamblaje Cinemática del impacto Laboratorio de ensayo Fabricación prototipo Ensamblaje Ensayo de impacto Fabricante < 16 >

17 Una estrecha colaboración entre fabricante y laboratorio de ensayo, favorecerá el éxito de la simulación y el producto a desarrollar Fabricación prototipo Ensamblaje Simulación MEF Laboratorio de ensayo Ensayo de impacto Fabricante < 17 >

18 Simulación Ensayo físico Aspectos críticos El terreno de ensayo y su caracterización El vehículo de ensayo Dummy (Norma UNE ) Otros aspectos, por ejemplo, climatología (temperatura, humedad ) < 18 >

19 Inconvenientes El manejo correcto de este tipo de programas exige un profundo conocimiento de los principios del MEF. Sólo en este caso se puede asegurar que los resultados obtenidos en los análisis se ajustan a la realidad. Son tres los elementos que más problemas presentan: caracterización del suelo, material del sistema y el propio vehículo. El MEF es un método aproximado ligado fuertemente al desarrollo de los equipos informáticos. En definitiva, los buenos resultados se obtienen a partir de adecuadas hipótesis de partida. < 19 >

20 Ventajas Aumenta la confianza en el comportamiento del producto (sistemas más seguros) Ganancia de conocimientos acerca del comportamiento real del sistema (simulación de situaciones que no recoge la Norma). Permite la realización de ensayos simplificados para aislar componentes y optimizar la geometría. Disminuye el número de prototipos y ensayos físicos necesarios. El proceso de desarrollo de producto se realiza de forma más rápida y económica. < 20 >

21 INDICE 1 2 Introducción Concepto general del método Simulación por elementos finitos desarrollo de producto Análisis de un caso real de optimización Situación normativa 6 7 Futuro de la simulación Conclusiones < 21 >

22 Análisis de un caso real de optimización Sistema de protección para motociclistas (SPM) Optimización de subsistema valla Geometría I: SPM I (OC 18/2004) Geometría II: SPM II Mediante simulaciones simplificadas es posible optimizar la geometría de la valla protectora, a fin de disminuir al máximo la lesividad de motociclistas que impacten contra la misma. < 22 >

23 Análisis de un caso real de optimización Índices representativos del riesgo de lesiones en el cuello Mcox Mcoy, flexión Simulación Límite Nivel I Mcoy, extensión Ensayo Simulación Ensayo Límite Nivel II Límite Nivel II Límite Nivel I Se ha conseguido que los resultados del ensayo mejoren los resultados de la simulación (mediante hipótesis de partida conservadoras) < 23 >

24 Análisis de un caso real de optimización Índices Biomecánicos Ensayo TM.1.60 (Trayectoria centrada en poste) Simulación (A) Ensayo (B) % (A) (B) % (A)/(B) límite Nivel I Fx(+) - máx 675 N 447,31 N -33,73 - Fx(-) - máx -677 N -331,30 N -51,06 - Fz tracción - máx 2540 N 1509,42 N -40,57 - Fz compresión - máx 3162 N 3066,58 N -3,02 - Mcox 115 Nm 64,73 Nm -43,71-14,18 / -51,69 Mcoy flexión 46 Nm 36,06 Nm -21,61-75,79 / -81,02 Mcoy extensión 39 Nm 33,33 Nm -20,64-7,14 / -20,64 Los valores máximos correspondientes a índices de fuerza, también se sitúan en una zona inferior a la que indican los gráficos correspondientes para la zona de seguridad por debajo del límite para el Nivel I. < 24 >

25 INDICE 1 2 Introducción Concepto general del método Simulación por elementos finitos desarrollo de producto Análisis de un caso real de optimización Situación normativa 6 7 Futuro de la simulación Conclusiones < 25 >

26 Situación normativa UNE EN Productos modificados Apartado A.6. Mecánica computacional En algunos casos, el comportamiento de un producto modificado se puede evaluar mediante la modificación de un modelo, que haya sido validado empleando el ITT original. Esto puede ser particularmente útil en el caso de evaluaciones que no requieran necesariamente la realización de ensayos de impacto adicionales, o como fuente de información adicional cuando se haya reducido el número de ensayos. Actualmente, la evaluación de productos modificados se encuentra en fase de estudio y revisión. < 26 >

27 Situación normativa Apartado A.3. Tipos de modificaciones Categorías de modificaciones UNE EN Categoría A Categoría B Categoría C Cambio leve Cambio moderado Cambio importante Simulación Barrera sometida a repintado Cambio del tipo de tornillos cuando no están diseñados para alcanzar el límite elástico Barrera en la que se ha cambiado el tipo o calidad del metal Ejemplos con carácter indicativo Dificultad para situar una modificación de producto en las categorías B y/o C < 27 >

28 Situación normativa Apartado A.3. Tipos de modificaciones Categorías de modificaciones UNE EN Categoría B Cambio moderado Simulación Categoría C Cambio importante Su integración en la Norma precisa criterios comunes en su metodología de aplicación Informes Técnicos (TR) Desarrollo de una metodología que permite verificar y validar los resultados obtenidos con la simulación y garantizar la confianza en los mismos < 28 >

29 Situación normativa Informe Técnico (TR): Road restraint systems Guidelines for computational mechanics of crash testing against vehicle restraint system Part 1 Common reference information and reporting Part 2 Vehicle modelling and verification Part 3 Test Item modelling and verification Part 4 Validation procedures < 29 >

30 INDICE 1 2 Introducción Concepto general del método Simulación por elementos finitos desarrollo de producto Análisis de un caso real de optimización Situación normativa 6 Futuro de la simulación 7 Conclusiones < 30 >

31 Futuro de la simulación Hoy en día, la simulación por elementos finitos es una herramienta complementaria a los ensayos de impacto según la norma UNE-EN 1317 (o UNE ), aunque cada vez son más los campos en los que la simulación está sustituyendo a los ensayos físicos. Algunos ejemplos: Fatiga en el sector aeronáutico, ferrocarril, automoción y eólico Diseños con materiales compuestos Homologación frente a vibraciones Por el momento, la simulación es una herramienta imprescindible para el proceso de diseño de nuevos sistemas, así como para optimización de los mismos; incluso en ocasiones, se puede utilizar en la evaluación de la conformidad de un sistema con Marcado CE que ha sido moderadamente modificado. < 31 >

32 Futuro de la simulación No cabe duda que el futuro de la simulación perseguirá conseguir resultados con alto grado de aproximación al ensayo físico, lo que permitiría su paulatina integración en la Norma UNE EN Es importante destacar: Campo de investigación en aumento Su aplicación a ensayos de impacto (crash tests) se ha venido desarrollando desde finales de los años 70. Numerosos estudios corroboran su importante evolución en los últimos años. Utilización en condiciones distintas a las que recoge la Norma, reconstrucción de accidentes < 32 >

33 INDICE 1 2 Introducción Concepto general del método Simulación por elementos finitos desarrollo de producto Análisis de un caso real de optimización Situación normativa 6 7 Futuro de la simulación Conclusiones < 33 >

34 CONCLUSIONES La simulación por elementos finitos representa una herramienta indispensable en el diseño y de vehículos. Además, se reducen costes en el proceso de desarrollo de producto, llegando a soluciones más óptimas que por el tradicional método ensayo-error. Hoy en día, la simulación numérica es una herramienta complementaria a la experimental en la homologación de sistemas de contención de vehículos, cuándo podría ser la simulación autosuficiente? Todo dependerá de la evolución de los equipos informáticos, el grado de aproximación de caracterización de materiales, terreno, vehículo y el desarrollo futuro de la normativa. Con la simulación, aumenta la confianza en el comportamiento del sistema de contención y la ganancia de conocimiento acerca del comportamiento real. En definitiva, los sistemas serán más seguros. < 34 >

35 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN Cristina Rodríguez Fernández Responsable I+D+i