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PRESENTE Y FUTURO DE LA SIMULACIÓN POR

ELEMENTOS FINITOS PARA OPTIMIZACIÓN DE

SISTEMAS DE CONTENCIÓN

Tenerife, 24 de noviembre de 2011

Cristina Rodríguez Fernández

Responsable de I+D+i

IX Jornada sobre barreras

metálicas de seguridad

INDICE

< 2 >

Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para

optimización de sistemas de contención

Introducción – Concepto general del método

Simulación por elementos finitos – desarrollo de producto

Simulación de ensayos de impacto UNE-EN 1317

1

2

3

IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011

Análisis de un caso real de optimización

Situación normativa

Futuro de la simulación

4

5

6

Conclusiones 7

INDICE

< 3 >






1

2

3




4

5

6


Conclusiones 7

Introducción - Concepto general del método

< 4 >



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

Introducción - Concepto general del método

< 5 >



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

Condiciones

de contorno

Dominio

Contorno

Dominio tras haber

actuado las

condiciones de

contorno


INDICE

< 6 >






1

2

3




4

5

6


Conclusiones 7


< 7 >



Prototipo 1

Ensayo 1

Prototipo 2

Ensayo 2 Ensayo n

Prototipo n

…

Método ensayo – error :

sucesión de mejoras iterativas

en prototipos físicos

Elevado coste económico y

en tiempo de desarrollo

Producto

Prototipos

físicos



< 8 >



Prototipo 1

Prototipo 2

Prototipo n Ensayo

Prototipo n

Producto


MEF: método aproximado

complementario a los ensayos

Disminuye el nº de

prototipos físicos

necesarios

…

MEF

Prototipos

virtuales

Prototipos

físicos

INDICE

< 9 >






1

2

3




4

5

6


Conclusiones 7


< 10 >



Vehículo Sistema de

contención

Interacción

vehículo - sistema

Crash - test



< 11 >



Terreno

Vehículo

Sistema de

contención

Geometría de diseño

Geometría para

simulación

Mallado

Materiales, condiciones

de contorno, …

Resolución

Postproceso

Dominio



< 12 >




Geometría para

simulación

Mallado


de contorno, …

Resolución

Postproceso


Geometría simulación


Mallado

Componentes del sistema

Abatimientos al terreno

Longitud de ensayo

Geometría simplificada


< 13 >




Geometría para

simulación

Mallado


de contorno, …

Resolución

Postproceso

Material

Sistema de

contención

Terreno

Uniones

atornilladas Contactos: ruedas-suelo, ruedas-

sistema, sistema-sistema, …



< 14 >




Geometría para

simulación

Mallado


de contorno, …

Resolución

Postproceso

Resolución

Postproceso

Desprendimiento de piezas

Tensiones/deformaciones

Balances energéticos

WW, DD, ASI, THIV, PHD, etc.

Gráficos, videos



< 15 >



La simulación por MEF permite la optimización del sistema componente a

componente mediante análisis simplificados de subsistemas

Sistema BMSNA2C (OC 28/2009)

B. Poste (espesor,

longitud, longitud

de hincado…)

Uniones

atornilladas

A. Valla (geometría,

espesor…)

Otros

componentes



< 16 >



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

Simulación Ensayo físico

Fabricación prototipo Ensamblaje Ensayo de impacto

Fabricante

Laboratorio de ensayo



< 17 >



Fabricación prototipo Ensamblaje Ensayo de impacto

Fabricante

Laboratorio de ensayo

Una estrecha colaboración

entre fabricante y laboratorio

de ensayo, favorecerá el éxito

de la simulación y el producto

a desarrollar

Simulación MEF



< 18 >



El terreno de ensayo y su caracterización

El vehículo de ensayo

Dummy (Norma UNE 135900)

Otros aspectos, por ejemplo, climatología

(temperatura, humedad…)

Simulación Ensayo físico Aspectos críticos



< 19 >



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.

Inconvenientes


< 20 >



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.

Ventajas



INDICE

< 21 >






1

2

3




4

5

6


Conclusiones 7


< 22 >



Sistema de protección para motociclistas (SPM)

Geometría I: SPM I (OC 18/2004) Geometría II: SPM II

Optimización de

subsistema valla

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.



< 23 >



Simulación

Ensayo

Límite Nivel I

Límite Nivel II

0

50

100

150

200

Mcox Mcoy, flexión Mcoy,

extensión

Simulación Ensayo Límite Nivel I Límite Nivel II

Se ha conseguido que los

resultados del ensayo mejoren

los resultados de la simulación

(mediante hipótesis de partida

conservadoras)

Índices representativos del riesgo de

lesiones en el cuello



< 24 >



Ensayo TM.1.60 (Trayectoria centrada en poste)

Índices

Biomecánicos

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.


INDICE

< 25 >






1

2

3




4

5

6


Conclusiones 7


< 26 >




UNE EN 1317 – 5

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.

Productos modificados


< 27 >




UNE EN 1317 – 5 Apartado A.3. Tipos de modificaciones

Categorías de modificaciones

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


< 28 >




UNE EN 1317 – 5 Apartado A.3. Tipos de modificaciones

Categorías de modificaciones

Categoría B Categoría C

Cambio

moderado

Cambio

importante

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

Simulación Su integración en la Norma precisa

criterios comunes en su metodología

de aplicación


< 29 >



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

INDICE

< 30 >






1

2

3




4

5

6


Conclusiones 7


< 31 >



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 135900), 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.



< 32 >




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 1317. 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…

INDICE

< 33 >






1

2

3



Conclusiones

4

5

6



7

CONCLUSIONES

< 34 >



La simulación por elementos finitos representa una herramienta

indispensable en el diseño y optimización de sistemas de contención 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.


MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Cristina Rodríguez Fernández

Responsable I+D+i

[email protected]

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