Análisis de variables geométricas del parachoques en la protección de peatones

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María Nieves Franco Ortiz
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1 Asociación Española de Ingeniería Mecánica XVIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA Análisis de variables geométricas del parachoques en la protección de peatones D. Gallegos Cátedra Applus+ en Seguridad del Automóvil. Universidad Politécnica de Cataluña. F. Liesa Departamento de Ingeniería Mecánica.Universidad Politécnica de Cataluña. Resumen La protección de peatones es uno de los principales campos de investigación dentro de la seguridad del automóvil y un campo importante de innovación en el sector de automoción [1]. Las estadísticas de accidentes indican que cada año mueren 6000 personas en Europa como consecuencia de un atropello. Las extremidades inferiores se representan en los ensayos de protección de peatones por un impactor, existiendo el impactor lower legform del TRL y el impactor Flex-PLI [2]. Las magnitudes que mide y los límites biomecánicos admisibles son [3],[4]: - Aceleración vertical, con un límite de m/s2 - Ángulo provocado por el momento flector entre tibia y fémur, con un límite de 15º - Desplazamiento entre tibia y fémur provocado por el esfuerzo cortante, con un valor límite de +/- 6 mm. El objetivo del proyecto es obtener un modelo simplificado representativo del comportamiento del modelo real para analizar la relación entre las variables geométricas y de materiales del frontal del vehículo con los resultados obtenidos en los ensayos. El procedimiento de cálculo utilizado es el método de los elementos finitos con software de malla dinámica y las variables principales analizadas son: - Distancia longitudinal entre el punto de contacto en rodilla y el punto de contacto en la zona inferior de la tibia. - Distancia longitudinal entre el punto de contacto en rodilla y el punto de contacto en la zona superior del fémur. - Distancia vertical entre los tres puntos de contacto. - Materiales utilizados en el conjunto. INTRODUCCIÓN La protección de peatones es uno de los principales campos de investigación dentro de la seguridad pasiva en el automóvil y uno de los principales pilares de innovación dentro del sector de automoción. Los datos de víctimas en accidentes de tráfico indican que cada año cerca de personas pierden la vida en accidentes de tráfico. Si tomamos como referencia España, cada año más de 600 personas mueres en las ciudades, siendo el 40% peatones. Los fabricantes de automóviles están desarrollando nuevas soluciones para minimizar e incluso evitar lesiones en los atropello, mejorando tanto el frontal del vehículo como la compatibilidad entre vehículo y peatón en el

El consorcio EuroNCAP ha modificado recientemente el mecanismo de puntuación, otorgando un mayor valor a los resultados del área de protección de peatones.

La protección de las extremidades inferiores se representa mediante el impacto del lower legform, que actualmente se corresponde con el del Transport Research Laboratory (TRL).

- Ángulo provocado por el momento flector entre tibia y fémur, con un valor límite de 15º. - Desplazamiento provocado por el esfuerzo cortante entre tibia y fémur, con un valor límite de +/- 6 mm.

2 D. Gallegos et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 2 campo de la seguridad pasiva, aunque también los esfuerzos se centran en el campo de la seguridad activa con sistemas de detección al peatón. El consorcio EuroNCAP ha modificado recientemente el mecanismo de puntuación, otorgando un mayor valor a los resultados del área de protección de peatones. Actualmente se realizan tres ensayos, siguiendo tres regiones anatómicas, que corresponden con tres impactores: lower legform, upper legform y headform. La protección de las extremidades inferiores se representa mediante el impacto del lower legform, que actualmente se corresponde con el del Transport Research Laboratory (TRL). Las magnitudes que se miden y los límites biomecánicos recomendados son: - Aceleración vertical, con un valor límite de m/s 2. - Ángulo provocado por el momento flector entre tibia y fémur, con un valor límite de 15º. - Desplazamiento provocado por el esfuerzo cortante entre tibia y fémur, con un valor límite de +/- 6 mm. Así mismo, las herramientas de simulación en el campo de la protección de peatones se están posicionando como una herramienta básica de desarrollo de los nuevos vehículos. La tipología de software utilizado es principalmente: - Software de elementos finitos. - Software de multi-body. - Software de reconstrucción de accidentes. ESTADO DEL ARTE El perfil de los frontales de los vehículos está introduciendo cambios constantemente. Mientras que hace algunos años, el aspecto más importante a tener en cuenta era la aerodinámica, actualmente la protección de peatones es un aspecto que se considera desde las fases iniciales de diseño del vehículo. En la Fig. 1 se presenta un ejemplo de evolución del frontal de los vehículos de un mismo fabricante. Fig. 1. Ejemplo de evolución del perfil de los frontales de los vehículos. Fuente: Citroën MODELO DE REFERENCIA Para analizar el nivel de protección que ofrece un frontal a las extremidades inferiores de un peatón es necesario crear un modelo del frontal del vehículo. Los rasgos principales que debe incluir el modelo son la superficie de contacto con la extremidad inferior y los elementos que dotas de rigidez al conjunto. Por tanto, los componentes mínimos a incluir en el modelo para obtener una buena correlación entre los

Análisis de variables geométricas del parachoques en la protección de peatones 3 resultados que se obtienen en la simulación y los resultados que se obtienen al realizar un ensayo con el vehículo

3 Análisis de variables geométricas del parachoques en la protección de peatones 3 resultados que se obtienen en la simulación y los resultados que se obtienen al realizar un ensayo con el vehículo son: - Piel externa, que determina el contorno y los puntos de contacto - Refuerzo de la piel, - Spolier, - Traviesa peatones, - Rejillas inferior y superior para la refrigeración - Traviesa de deformación. En la Fig. 2 se muestra un posible modelo de referencia de un vehículo. Rejilla superior Rejilla inferior Refuerzo piel Traviesa peatones Piel exterior Spoiler Conjunto Elementos de contorno exterior Elementos que aportan rigidez Fig. 2. Modelo de referencia utilizado en simulación en el ámbito de protección de peatones Pero si la forma y el perfil del frontal se analiza con más profundidad, la conclusión a la que se puede llegar es que los principales contactos entre el vehículo y las extremidades inferiores con tres: - Contacto entre la zona de la rodilla y la piel y la traviesa parachoques. - Contacto entre la zona de la tibia y el spoiler y la traviesa de peatones. - Contacto entre fémur y la zona superior del refuerzo.

D. Gallegos et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 4 En la Fig. 3. se presentan esquematizados estos puntos de contacto.

Principales puntos de contacto entre frontal del vehículo y extremidades inferiores MODELO SIMPLIFICADO Para analizar cual es la influencia de la geometría del frontal del vehículo en la protección

y asimilarla a la rigidez que tiene el conjunto original.

4 D. Gallegos et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 4 En la Fig. 3. se presentan esquematizados estos puntos de contacto. Contacto entre zona rodilla y traviesa parachoques Contacto entre parte superior del fémur y cerradura capó Contacto entre zona inferior de la tibia y traviesa peatones Fig. 3. Principales puntos de contacto entre frontal del vehículo y extremidades inferiores MODELO SIMPLIFICADO Para analizar cual es la influencia de la geometría del frontal del vehículo en la protección de las extremidades inferiores del peatón puede utilizar un modelo simplificado para ver el comportamiento de la aceleración vertical, del esfuerzo cortante y del momento flector al introducir algún cambio en el frontal. Este modelo simplificado podría estar formado únicamente por una pieza, que tuviera las 3 zonas de contacto descritas anteriormente, así como diferentes nervios para modificar la rigidez de cada zona y asimilarla a la rigidez que tiene el conjunto original. Con este modelo simplificado, el tiempo de cálculo disminuye y es posible realizar un análisis paramétrico del comportamiento del frontal, independientemente del vehículo al que pertenezca, ya que únicamente es importante los puntos de contacto y la rigidez de dichos puntos, despreciando parcialmente la piel del conjunto. Los principales parámetros a analizar pueden ser: - Diferencia de cota X entre traviesa y traviesa peatones - Diferencia de cota X entre traviesa y traviesa capó - Diferencia de cota Z entre traviesa peatones y traviesa - Diferencia de cota Z entre traviesa y traviesa capó - Cota Z de traviesa peatones - Cota Z de traviesa - Cota Z de traviesa capó - Coordenada Y de impacto - Caracterización del material.

Análisis de variables geométricas del parachoques en la protección de peatones 5 En la Fig. 4 se muestra un esquema del modelo simplificado propuesto, con los parámetros de análisis indicados.

5 Análisis de variables geométricas del parachoques en la protección de peatones 5 En la Fig. 4 se muestra un esquema del modelo simplificado propuesto, con los parámetros de análisis indicados. PRIMEROS RESULTADOS Fig. 4. Modelo simplificado y variables de análisis Tal y como se ha mencionado en los puntos previos, el objetivo del modelo simplificado es analizar la relación entre los parámetros geométricos del frontal del vehículo y la evolución de los resultados obtenidos de aceleración vertical, esfuerzo cortante y momento flector. Con el modelo simplificado se han obtenido unos primeros resultados que permiten correlacionar los resultados que se obtienen con un modelo de simulación completo y con el ensayo real en laboratorio. Los primeros resultados obtenidos son:

6 D. Gallegos et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 6 Shear displacement (mm) time Tibia deceleration (g) time Knee bending angle (deg) time Fig. 5. Resultados obtenidos con el modelo simplificados referentes al desplazamiento provocado por el esfuerzo cortante, a l aceleración vertical y al ángulo provocado por el momento flector

7 Análisis de variables geométricas del parachoques en la protección de peatones 7 A la vista de los resultados obtenidos actualmente, y mostrados en la Fig. 5., se deben realizar algunas mejoras en el modelo simplificado para poder ajustar los resultados obtenidos a los resultados que se obtienen en los ensayos reales de laboratorio y así poder predecir el comportamiento en referencia a la protección de las extremidades inferiores de un nuevo frontal. CONCLUSIONES A pesar de la especificidad de las tareas de simulación que existe cuando hacen referencia a un modelo de vehículo, es posible plantearse la creación de un modelo con un número de componentes mínimo para simplificar la adaptación a cualquier frontal y reducir el tiempo de cálculo. Los puntos más importantes a tener en cuenta en este modelo de referencia son los puntos de contacto entre frontal del vehículo y extremidad inferior y la rigidez de cada una de las zonas. REFERENCIAS [1] 3rd International Conference Protection of children in cars, Munich [2] Daniel J. Holt, 100 Years of Vehicle Safety Developments, SAE [3] Stanley H. Backaitis, Vehicle Compatibility in Automotive Crashes, SAE 2005.

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