Simulación de choque

Simulación de choque con una pasajera delgada (izquierda) y otra obesa (derecha).

Una simulación de choque es una recreación virtual de una prueba de choque destructiva de un automóvil o un sistema de barreras de seguridad de autopista mediante una simulación por computadora para examinar el nivel de seguridad del automóvil y sus ocupantes. Los fabricantes de automóviles utilizan simulaciones de choque durante el análisis de ingeniería asistida por computadora (CAE) para evaluar la resistencia a los choques en el proceso de diseño asistido por computadora (CAD) para modelar automóviles nuevos. Durante una simulación de choque, la energía cinética , o energía de movimiento, que un vehículo tiene antes del impacto se transforma en energía de deformación , principalmente por deformación plástica ( plasticidad ) del material de la carrocería ( carrocería en blanco ), al final del impacto.

Los datos obtenidos de una simulación de choque indican la capacidad de la carrocería o la estructura de la barrera de seguridad para proteger a los ocupantes del vehículo durante una colisión (y también a los peatones atropellados) contra lesiones . Los resultados importantes son las deformaciones (por ejemplo, intrusiones del volante ) del espacio de los ocupantes (conductor, pasajeros ) y las desaceleraciones (por ejemplo, aceleración de la cabeza) que experimentan, las cuales deben estar por debajo de los valores umbral establecidos en las normas legales de seguridad vial . Para modelar pruebas de choque reales, las simulaciones de choque actuales incluyen modelos virtuales de maniquíes de prueba y de dispositivos de seguridad pasiva ( cinturones de seguridad , airbags , paneles de instrumentos con absorción de impactos , etc.). Las pruebas de barrera de seguridad evalúan la desaceleración del vehículo y el potencial de vuelco, así como la penetración de la barrera por parte de los vehículos.

Historia

En la década de 1970 se realizaron intentos de simular colisiones de automóviles con sistemas masa-resorte no lineales , previa calibración , que requieren como datos de entrada los resultados de ensayos físicos destructivos de laboratorio, necesarios para determinar el comportamiento de aplastamiento mecánico de cada componente del resorte del sistema modelado. Sin embargo, las simulaciones basadas en " primeros principios ", al igual que los modelos de elementos finitos más elaborados, solo necesitan la definición de la geometría estructural y las propiedades básicas del material ( reología del acero de la carrocería, el vidrio, las piezas de plástico, etc.) como datos de entrada para generar el modelo numérico.

Los orígenes de la simulación computarizada de choques automovilísticos basada en principios fundamentales se encuentran en la defensa militar , el espacio exterior y las aplicaciones en centrales nucleares civiles . Tras la presentación, el 30 de mayo de 1978, de una simulación del choque accidental de un avión de combate militar contra una central nuclear por parte del Grupo ESI en una reunión organizada por la Asociación Alemana de Ingenieros (VDI) en Stuttgart , los fabricantes de automóviles se percataron de la posibilidad de utilizar esta tecnología para la simulación de pruebas de choque destructivas (Haug 1981).

La primera simulación exitosa de un choque frontal a gran escala: un Volkswagen Polo colisionó con una barrera rígida de hormigón a 50 km/h (ESI 1986).

En los años siguientes, los fabricantes de automóviles alemanes realizaron estudios de simulación de choques más complejos, simulando el comportamiento en caso de colisión de componentes individuales de la carrocería, conjuntos de componentes y carrocerías parciales ( BIW ). Estos experimentos culminaron en un proyecto conjunto de la Forschungsgemeinschaft Automobil-Technik (FAT), una agrupación de los siete fabricantes de automóviles alemanes ( Audi , BMW , Ford , Mercedes-Benz , Opel , Porsche y Volkswagen ), que probó la aplicabilidad de dos códigos comerciales emergentes de simulación de choques. Estos códigos recreaban un impacto frontal de la estructura completa de un automóvil de pasajeros (Haug 1986) y se ejecutaban en una computadora durante la noche. Ahora que el tiempo de respuesta entre dos entregas de trabajo consecutivas (ejecuciones de computadora) no superaba un día, los ingenieros pudieron comprender mejor el comportamiento en caso de colisión y realizar mejoras eficientes y progresivas en la estructura de la carrocería analizada. El software de ingeniería asistida por computadora (CAE) se convirtió recientemente en la norma en la simulación de pruebas de choque. La combinación de aprendizaje automático y herramientas CAE permitió una aceleración mucho mayor del software de simulación. Los ingenieros utilizaron aprendizaje automático para predecir:

La aceleración del tórax del maniquí ^{[ 1 ]}
El desplazamiento hacia adelante del maniquí ^{[ 2 ]}
La aceleración máxima del tórax y el criterio de lesión craneal . ^{[ 3 ]}

Solicitud

Las simulaciones de colisiones se utilizan para investigar la seguridad de los ocupantes del vehículo durante impactos en la parte delantera ( colisión frontal), en la parte lateral ( colisión lateral), en la parte trasera ( colisión por alcance ) y en el techo (vuelco ) . También se pueden utilizar para evaluar las lesiones de los peatones atropellados.

Beneficios

Una simulación de choque produce resultados sin necesidad de realizar pruebas destructivas reales a un nuevo modelo de automóvil. De esta forma, las pruebas se pueden llevar a cabo de forma rápida y económica en un ordenador, lo que permite optimizar el diseño antes de la fabricación de un prototipo real. Mediante una simulación, se pueden resolver problemas antes de invertir tiempo y dinero en una prueba de choque real. La gran flexibilidad de la impresión y la visualización gráfica permite a los diseñadores resolver problemas que habrían sido prácticamente imposibles sin la ayuda de un ordenador.

Análisis

Un gran número de simulaciones de colisiones utilizan el método de elementos finitos . Los problemas complejos se resuelven dividiendo una superficie en un número grande, pero finito, de elementos y determinando su movimiento en intervalos de tiempo muy cortos. Otro enfoque para las simulaciones de colisiones es el método de macroelementos . La diferencia entre ambas metodologías radica en que, en el método de macroelementos, la estructura consta de un número menor de elementos. El algoritmo de cálculo de la deformación estructural se basa en datos experimentales, en lugar de en ecuaciones diferenciales parciales.

Pam-Crash, que comenzó con la simulación de colisiones, junto con LS-DYNA, es un paquete de software ampliamente utilizado para la aplicación del Método de Elementos Finitos (MEF). Este método permite el modelado detallado de una estructura, pero su desventaja radica en los altos requisitos de la unidad de procesamiento y el tiempo de cálculo. Visual Crash Studio utiliza la Metodología de Macroelementos (MEF). En comparación con el MEF, presenta algunas limitaciones en el modelado y las condiciones de contorno, pero su aplicación no requiere ordenadores avanzados y el tiempo de cálculo es incomparablemente menor. Ambos métodos se complementan. El MEF es útil en las primeras etapas del proceso de diseño de estructuras, mientras que el MEF ofrece un buen rendimiento en las etapas finales.

Análisis estructural

En una simulación de colisión típica, la estructura de la carrocería se analiza mediante discretización espacial , es decir, dividiendo el movimiento continuo de la carrocería en tiempo real en cambios de posición más pequeños en intervalos de tiempo discretos. La discretización implica subdividir la superficie de las piezas de chapa metálica delgadas que la componen en un gran número (cercano a un millón en 2006) de regiones cuadriláteras o triangulares, cada una de las cuales abarca el área entre "nodos" a los que están fijas sus vértices. Cada elemento tiene masa, que se distribuye como masas concentradas y como momentos de inercia de masa a sus nodos de conexión. Cada nodo tiene 6 grados de libertad cinemáticos , es decir, un nodo puede moverse en tres direcciones lineales bajo traslación y puede rotar alrededor de tres ejes independientes. Las coordenadas espaciales ( x ), el desplazamiento ( u ), la velocidad ( v ) y la aceleración ( a ) de cada nodo se expresan principalmente en un sistema de coordenadas cartesianas rectangulares tridimensionales con ejes X , Y y Z.

Si los nodos se mueven durante una simulación de colisión, los elementos conectados se mueven, se estiran y se doblan junto con ellos, lo que provoca que transmitan fuerzas y momentos a sus conexiones nodales. Las fuerzas y los momentos en los nodos corresponden a las fuerzas y los momentos de inercia, causados por sus aceleraciones traslacionales (lineales) y angulares , y a las fuerzas y los momentos transmitidos por la resistencia del material estructural de los elementos conectados a medida que se deforman. En ocasiones, se aplican cargas estructurales externas adicionales , como cargas gravitatorias derivadas del propio peso de las piezas o cargas añadidas por masas externas.

Las fuerzas y los momentos de todos los nodos se recopilan en un vector columna (o matriz columna), y las ecuaciones de movimiento dependientes del tiempo (en equilibrio dinámico) se pueden escribir de la siguiente manera.

\mathbf {Ma} =\mathbf {F} _{ext}-\mathbf {F} _{int}

donde vector $\mathbf {Ma}$ (masa por vector de aceleración) recoge las fuerzas de inercia en los nodos, $\mathbf {F} _{ext}$ recopila las cargas nodales externas y $\mathbf {F} _{int}$ Recopila las fuerzas de resistencia internas derivadas de la deformación del material. M es una matriz diagonal de las masas nodales. Cada vector ( u , v , a , F , etc.) tiene una dimensión 6 veces mayor que el número total de nodos en el modelo de choque (aproximadamente 6 millones de " grados de libertad " por cada millón de "nodos" en modelos de elementos finitos de láminas delgadas en 3D).

Análisis del tiempo

Una simulación de choque también utiliza la discretización temporal para separar los cambios continuos en el tiempo en segmentos muy pequeños y utilizables. Las ecuaciones dinámicas del movimiento se mantienen en todo momento durante una simulación de choque y deben integrarse en el tiempo, t , comenzando desde una condición inicial en el tiempo cero, que es justo antes del choque. Según el método explícito de integración temporal de diferencias finitas utilizado por la mayoría de los códigos de choque, las aceleraciones, velocidades y desplazamientos del cuerpo están relacionados por las siguientes ecuaciones.

\mathbf {a} _{n}=\mathbf {M} ^{-1}(\mathbf {F} _{ext}-\mathbf {F} _{int})_{n}

\mathbf {v} _{n+1/2}=\mathbf {v} _{n-1/2}+\mathbf {a} _{n}\Delta t_{n}

\mathbf {u} _{n+1}=\mathbf {u} _{n}+\mathbf {v} _{n+1/2}\Delta t_{n+1/2}

En estas ecuaciones, los subíndices n ±1/2, n , n +1 denotan tiempos pasados, presentes y futuros, t , en intervalos de tiempo de medio y tiempo completo con pasos de tiempo. $\Delta t_{n}$ y $\Delta t_{n+1/2}$ , respectivamente.

Solución

El sistema de ecuaciones lineales anterior se resuelve para las aceleraciones, $\mathbf {a} _ {n}$ , las velocidades, $\mathbf {v} _ {n+1/2}$ y los desplazamientos, $\mathbf {u} _ {n+1}$ , en cada punto discreto en el tiempo, t , durante la duración del choque . Esta solución es trivial, ya que la matriz de masas es diagonal. El tiempo de computación es proporcional al número de elementos finitos y al número de pasos de tiempo de la solución. El paso de tiempo de la solución estable, $\Delta t$ , está limitado por la estabilidad numérica , como lo expresa la condición de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL), que establece que "en cualquier simulación computacional de avance temporal, el paso de tiempo debe ser menor que el tiempo necesario para que ocurra alguna acción significativa, y preferiblemente considerablemente menor". En una simulación de colisión, las acciones significativas más rápidas son las señales acústicas que viajan dentro del material estructural.

La velocidad de la onda de tensión elástica sólida es igual a

c={\sqrt {E_{0}/\rho }}

dónde $E_{0}$ es el módulo elástico inicial (antes de la deformación plástica ) del material y $\rho$ es la densidad de masa. Por lo tanto, el paso de tiempo estable más grande para un material dado es

\Delta t=d_{min}{\sqrt {\rho /E_{0}}}

,

dónde $d_{min}$ es la distancia más pequeña entre dos nodos cualesquiera del modelo de simulación numérica de colisión.

Dado que esta distancia puede cambiar durante una simulación, el paso de tiempo estable cambia y debe actualizarse continuamente a medida que avanza la solución. Al usar steel , el valor típico del paso de tiempo estable es de aproximadamente un microsegundo cuando la distancia más pequeña entre nodos discretos en la malla del modelo de elementos finitos es de aproximadamente 5 milímetros. Se necesitan entonces más de 100 000 intervalos de tiempo para resolver un evento de colisión que dura una décima de segundo. Esta cifra se supera en muchos modelos de colisión industriales que requieren solucionadores de colisión optimizados con características de computación de alto rendimiento ( HPC ), como la vectorización y la computación paralela .

Véase también

Referencias

↑ Belaid, Mohamed Karim; Rabus, Maximilian; Krestel, Ralf (1 de julio de 2021). "CrashNet: una arquitectura codificador-decodificador para predecir los resultados de las pruebas de choque" . Minería de datos y descubrimiento de conocimiento . 35 (4): 1688–1709 . doi : 10.1007/s10618-021-00761-9 . ISSN 1573-756X .
↑ Rabus, Maximilian; Belaid, Mohamed Karim; Maurer, Simon Alexander; Hiermaier, Stefan (23 de junio de 2022). "Desarrollo de un modelo para la predicción de cargas de ocupantes en colisiones de vehículos: introducción del Criterio de Carga Real de Ocupantes para la Predicción (ROLC$$_p$$)" . Automotive and Engine Technology . 7 ( 3–4 ): 229–244 . doi : 10.1007/s41104-022-00111-x . ISSN 2365-5135 . S2CID 249996973 .
↑ Lim, Jae Moon (1 de junio de 2021). "Un método para predecir HIC15, fuerzas G en el tórax y deflexión del tórax basado en los resultados de las pruebas de impacto frontal de USNCAP" . International Journal of Automotive Technology . 22 (3): 657– 663. doi : 10.1007/s12239-021-0061-z . ISSN 1976-3832 . S2CID 236395205 .

Haug, E. (1981) "Análisis de seguridad en ingeniería mediante experimentos numéricos destructivos", EUROMECH 121, Academia Polaca de Ciencias, Engineering Transactions 29(1), 39–49.
Haug, E., T. Scharnhorst, P. Du Bois (1986) "FEM-Crash, Berechnung eines Fahrzeugfrontalaufpralls", VDI Berichte 613, 479–505.

[1] Belaid, Mohamed Karim; Rabus, Maximilian; Krestel, Ralf (1 de julio de 2021). "CrashNet: una arquitectura codificador-decodificador para predecir los resultados de las pruebas de choque" . Minería de datos y descubrimiento de conocimiento . 35 (4): 1688–1709 . doi : 10.1007/s10618-021-00761-9 . ISSN 1573-756X .

[2] Rabus, Maximilian; Belaid, Mohamed Karim; Maurer, Simon Alexander; Hiermaier, Stefan (23 de junio de 2022). "Desarrollo de un modelo para la predicción de cargas de ocupantes en colisiones de vehículos: introducción del Criterio de Carga Real de Ocupantes para la Predicción (ROLC$$_p$$)" . Automotive and Engine Technology . 7 ( 3–4 ): 229–244 . doi : 10.1007/s41104-022-00111-x . ISSN 2365-5135 . S2CID 249996973 .

[3] Lim, Jae Moon (1 de junio de 2021). "Un método para predecir HIC15, fuerzas G en el tórax y deflexión del tórax basado en los resultados de las pruebas de impacto frontal de USNCAP" . International Journal of Automotive Technology . 22 (3): 657– 663. doi : 10.1007/s12239-021-0061-z . ISSN 1976-3832 . S2CID 236395205 .

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