Una simulación de choque es una recreación virtual de una prueba de choque destructiva de un automóvil o un sistema de barandillas de seguridad en una carretera utilizando una simulación por computadora para examinar el nivel de seguridad del automóvil y sus ocupantes. Los fabricantes de automóviles utilizan las simulaciones de accidentes durante el análisis de ingeniería asistida por computadora (CAE) para determinar 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 vehículotiene antes del impacto se transforma en energía de deformación , principalmente por deformación plástica ( plasticidad ) del material de la carrocería ( Body in White ), al final del impacto.
Los datos obtenidos de una simulación de choque indican la capacidad de la carrocería del automóvil o la estructura de la barandilla de protección para proteger a los ocupantes del vehículo durante una colisión (y también a los peatones atropellados por un automóvil) contra lesiones . Los resultados importantes son las deformaciones (por ejemplo, intrusiones en el volante ) del espacio para los ocupantes (conductor, pasajeros ) y las desaceleraciones (por ejemplo, aceleración de la cabeza) que sienten, que deben caer por debajo de los valores de umbral fijados en las normas legales de seguridad del automóvil . Para modelar pruebas de choques reales, las simulaciones de choques actuales incluyen modelos virtuales de maniquíes de prueba de choques y de dispositivos de seguridad pasiva ( cinturones de seguridad , airbags , tableros de instrumentos con amortiguación , etc.). Las pruebas de rieles guía evalúan la desaceleración del vehículo y el potencial de vuelco, así como la penetración de la barrera por parte de los vehículos.
Origen
En los años 1970 se intentó simular eventos de accidentes automovilísticos con sistemas de resorte-masa no lineales después de la calibración , que requieren como entrada los resultados de las pruebas de laboratorio destructivas físicas, necesarias para determinar el comportamiento de aplastamiento mecánico de cada componente del resorte del modelo. sistema. Sin embargo, las simulaciones del " primer principio ", como 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, vidrio, piezas de plástico, etc.) como entrada para generar el modelo numérico. .
Los orígenes del primer principio industrial de simulación computarizada de accidentes automovilísticos se encuentran en la defensa militar , el espacio exterior y las aplicaciones de centrales nucleares civiles . Tras la presentación de una simulación del choque accidental de un avión de combate militar en una planta de energía nuclear el 30 de mayo de 1978 por el Grupo ESI en una reunión organizada por Verein Deutscher Ingenieure (VDI) en Stuttgart , los fabricantes de automóviles fueron alertados sobre la posibilidad de utilizando esta tecnología para la simulación de pruebas destructivas de accidentes automovilísticos (Haug 1981).
En los años siguientes, los fabricantes de automóviles alemanes realizaron estudios de simulación de choques más complejos, que simulaban el comportamiento de choque de los componentes individuales de la carrocería, los conjuntos de componentes y los cuartos y la mitad de las carrocerías en blanco ( BIW ). Estos experimentos culminaron en un proyecto conjunto de Forschungsgemeinschaft Automobil-Technik (FAT), un conglomerado de los siete fabricantes de automóviles alemanes ( Audi , BMW , Ford , Mercedes-Benz , Opel , Porsche y Volkswagen ), que probó la aplicabilidad de dos códigos emergentes de simulación de accidentes comerciales. Estos códigos de simulación recrearon un impacto frontal de la estructura de un automóvil de pasajeros completo (Haug 1986) y se ejecutaron hasta su finalización en una computadora durante la noche. Ahora que el tiempo de respuesta entre dos envíos de trabajos consecutivos (ejecuciones de computadora) no excedía de un día, los ingenieros pudieron realizar mejoras eficientes y progresivas del comportamiento de choque de la estructura de la carrocería analizada.
Solicitud
Las simulaciones de accidentes se utilizan para investigar la seguridad de los ocupantes del vehículo durante impactos en la estructura delantera del vehículo en una " colisión frontal " o "impacto frontal", la estructura lateral del vehículo en una " colisión lateral " o " impacto lateral ”, la estructura del extremo trasero de un automóvil en una" colisión trasera "o" impacto trasero ", y la estructura del techo del automóvil cuando se vuelca durante un" vuelco ". Las simulaciones de accidentes también se pueden utilizar para evaluar las lesiones de los peatones atropellados por un automóvil.
Beneficios
Una simulación de choque produce resultados sin pruebas destructivas reales de un nuevo modelo de automóvil. De esta forma, las pruebas se pueden realizar de forma rápida y económica en un ordenador, lo que permite optimizar el diseño antes de que se haya fabricado un prototipo real del coche. Mediante una simulación, los problemas se pueden resolver antes de gastar tiempo y dinero en una prueba de choque real. La gran flexibilidad de la salida impresa y la visualización gráfica permite a los diseñadores resolver algunos problemas que hubieran sido casi imposibles sin la ayuda de una computadora.
Análisis
Un gran número de simulaciones de accidentes utilizan un método de análisis llamado Método de Elementos Finitos . Los problemas complejos se resuelven dividiendo una superficie en un número grande pero aún finito de elementos y determinando el movimiento de estos elementos durante períodos de tiempo muy pequeños. Otro enfoque para las simulaciones de accidentes se realiza mediante la aplicación del método de elementos macro . La diferencia entre las dos metodologías mencionadas anteriormente es que la estructura en el caso del método de macroelementos consta de un número menor de elementos. El algoritmo de cálculo de la deformación de la estructura se basa en datos experimentales en lugar de calcularse a partir de ecuaciones diferenciales parciales.
Pam-Crash inició la simulación de accidentes y, junto con LS-DYNA, es un paquete de software que se utiliza ampliamente para la aplicación del método de elementos finitos. Este método permite el modelado detallado de una estructura, pero la desventaja radica en los altos requisitos de la unidad de procesamiento y el tiempo de cálculo. Visual Crash Studio utiliza la metodología de elementos macro. En comparación con FEM, tiene algunas limitaciones de modelado y condiciones de contorno, pero su aplicación no requiere computadoras avanzadas y el tiempo de cálculo es incomparablemente menor. Los dos métodos presentados se complementan. El método de elementos macro es útil en la etapa inicial del proceso de diseño de la estructura, mientras que el método de elementos finitos funciona bien en sus etapas finales.
Análisis estructural
En una simulación de choque típica, la estructura de la carrocería se analiza mediante la discretización espacial , es decir, dividiendo el movimiento continuo de la carrocería en tiempo real en cambios más pequeños de posición en pasos de tiempo pequeños y discretos. La discretización implica subdividir la superficie de las piezas de chapa metálica delgadas constituyentes en un gran número (aproximándose al millón en 2006) de regiones cuadriláteras o triangulares, cada una de las cuales abarca el área entre "nodos" a los que se fijan sus esquinas. 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 cinemática , es decir, un nodo puede moverse en tres direcciones lineales en traslación y puede rotar alrededor de tres ejes independientes. Los espaciales coordenadas ( x ), el desplazamiento ( u ), la velocidad ( v ), y la aceleración ( un ) de cada nodo se expresa sobre todo en una de tres dimensiones rectangular sistema cartesiano de coordenadas con los ejes X , Y , y Z .
Si los nodos se mueven durante una simulación de choque, los elementos conectados se mueven, se estiran y se doblan con sus nodos, lo que hace que impartan fuerzas y momentos a sus conexiones nodales. Las fuerzas y momentos en los nodos corresponden a las fuerzas y momentos de inercia, causados por sus aceleraciones de traslación (lineales) y angulares y a las fuerzas y momentos transmitidos por la resistencia del material estructural de los elementos conectados a medida que se deforman. A veces, se aplican cargas estructurales externas adicionales , como cargas de gravedad del peso propio de las piezas o cargas adicionales de masas externas.
Las fuerzas y los momentos de todos los nodos se recopilan en un vector de columna (o matriz de columna), y las ecuaciones de movimiento dependientes del tiempo (en equilibrio dinámico) se pueden escribir de la siguiente manera.
donde vector (masa por vector de aceleración) recoge las fuerzas de inercia en los nodos, recoge las cargas nodales externas, y recoge las fuerzas de resistencia internas 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 el número total de nodos en el modelo de caída (alrededor de 6 millones de " grados de libertad " por cada millón de "nodos" en 3-D de capa fina finita modelos de elementos).
Análisis de tiempo
Una simulación de choque también utiliza la discretización del tiempo para separar los cambios continuos en el tiempo en segmentos utilizables muy pequeños. Las ecuaciones dinámicas de 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. De acuerdo con el método explícito de integración de tiempo de diferencia finita utilizado por la mayoría de los códigos de choque, las aceleraciones, velocidades y desplazamientos del cuerpo están relacionados mediante las siguientes ecuaciones.
En estas ecuaciones, los subíndices n ± 1/2, n , n +1 denotan tiempos pasados, presentes y futuros, t , en intervalos de tiempo completo y medio con intervalos de tiempo. y , respectivamente.
Solución
El sistema anterior de ecuaciones lineales se resuelve para las aceleraciones,, las velocidades, , y los desplazamientos, , 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 la computadora es proporcional al número de elementos finitos y al número de pasos de tiempo de solución. El paso de tiempo de solución estable,, está limitado por la estabilidad numérica , como lo expresa la condición de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL), que establece que “en cualquier simulación por computadora que marche en el tiempo, el paso de tiempo debe ser menor que el tiempo para que ocurra alguna acción significativa, y preferiblemente considerablemente menos. ”En una simulación de choque, las acciones significativas más rápidas son las señales acústicas que viajan dentro del material estructural.
La velocidad de la onda de tensión elástica sólida asciende a
dónde es el módulo de elasticidad inicial (antes de la deformación plástica ) del material yes la densidad de masa. Por lo tanto, el paso de tiempo estable más grande para un material dado es
- ,
dónde es la distancia más pequeña entre dos nodos cualesquiera del modelo numérico de simulación de accidentes.
Dado que esta distancia puede cambiar durante una simulación, el paso de tiempo estable cambia y debe actualizarse continuamente a medida que la solución avanza en el tiempo. Cuando se usa acero , el valor típico del paso de tiempo estable es de aproximadamente un microsegundo cuando la distancia de nodo discreto más pequeña en la malla del modelo de elementos finitos es de aproximadamente 5 milímetros. Necesita entonces más de 100.000 intervalos de tiempo para resolver un accidente que dura una décima de segundo. Esta cifra se supera en muchos modelos industriales de fallos que exigen solucionadores de fallos optimizados con funciones de computación de alto rendimiento ( HPC ), como la vectorización y la computación paralela .
Ver también
- Método de elementos finitos en mecánica estructural
- Análisis de elementos finitos
- Prueba de choque
Referencias
- Haug, E. (1981) "Análisis de seguridad de ingeniería mediante experimentos numéricos destructivos", EUROMECH 121, Academia de Ciencias de Polonia, Engineering Transactions 29 (1), 39–49.
- Haug, E., T. Scharnhorst, P. Du Bois (1986) "FEM-Crash, Berechnung eines Fahrzeugfrontalaufpralls", VDI Berichte 613, 479-505.
