Modelizado de aplastamiento.

Un método implementado en ordenador para determinar la resistencia a impactos de una estructura queincluye un material compuesto que se puede aplastar,

que comprende:

llevar a cabo cálculos de análisis por elementos finitos para determinar dicha resistencia a impactos, el métodocomprende además las etapas de:

determinar una o más capas de un elemento finito de dicho material durante un impacto si dicho elemento o capa delmismo se va a tratar como que falla por aplastamiento; y

si se determina que dicho elemento o capa va a fallar, el método comprende además las etapas de:suspender los cálculos del análisis por elementos finitos para dicho elemento o capa,

calcular la resistencia en curso para el elemento o capa, en donde dicha resistencia en curso es inferior al máximoesfuerzo de fallo por compresión del elemento o la capa, y en donde dicha resistencia en curso se calcula a partir dela teoría de materiales o se determina empíricamente, de tal manera que para un conjunto dado de condicionesmacroscópicas que comprenden el área de contacto con un objeto impactante, la velocidad y un ángulo de impacto,la resistencia es un único valor macroscópico,

definir una parte de apoyo de carga de la estructura, y

tratar dicha parte de apoyo de carga con el propósito cálculos subsiguientes como que exhiben dicha resistencia encurso en toda la longitud consumida del elemento o capa.

Modelizado de aplastamiento Campo de la invención Esta invención está relacionada con métodos, aparatos y software para modelizar el comportamiento de materiales que se aplastan particularmente, pero no exclusivamente, en el contexto de piezas de material compuesto de la carrocería de vehículos en caso de impacto.

Antecedentes Durante mucho tiempo se ha reconocido que los materiales compuestos reforzados con fibra, particularmente los compuestos de fibra de carbono tienen un gran potencial para revolucionar la industria automotriz. Es bien sabido que los materiales compuestos son muy ligeros en comparación con sus equivalentes de metal, incluso el aluminio, y se pueden conformar hasta formas complejas que pueden hacer el mismo trabajo que muchos materiales estampados metálicos soldados.

Los materiales compuestos también tienen la capacidad de absorber grandes cantidades de energía durante los impactos, lo que los hacen ideales para aplicaciones de automoción, ferrocarril o civiles. Por ejemplo, mientras que el acero sólo puede absorber hasta 20 kilojulios por kilogramo y el aluminio aproximadamente 30 kilojulios por kilogramo, los materiales compuestos de carbono puede absorber hasta 80 kilojulios por kilogramo.

Además, a diferencia de las estructuras metálicas, el material aplastado tiene muy poca resistencia residual después de que ha absorbido la energía. En cambio, el material compuesto se transforma esencialmente en pequeños trozos de desechos y fibras débilmente conectadas después de que ha sido aplastado, lo que significa que se requiere menos espacio que una estructura metálica equivalente. Esto se debe a que en una estructura metálica se debe proporcionar espacio en zonas designadas de arrugamiento para dar cabida al metal pandeado.

Por lo tanto, existe un importante aliciente para el uso de materiales compuestos, tales como los compuestos de fibra de carbono en los vehículos de producción en masa. Sin embargo, hasta la fecha, sólo se han utilizado en aplicaciones muy limitadas, tal como los coches deportivos de alta gama, deportes de motor y piezas pequeñas no críticas de coches de producción en masa.

Dos importantes desventajas actuales de los materiales compuestos es que son relativamente costosos y tienen largos tiempos de ciclo de fabricación. Sin embargo, todavía queda un importante obstáculo para su uso generalizado en la industria de la automoción es la capacidad de modelizar sus prestaciones en un impacto. Esto por supuesto es esencial para poder diseñar vehículos que sean tan seguros como sea posible y que se comporten de una manera predecible en el caso de un choque. Aunque se pueden llevar a cabo pruebas de prestaciones en choques mediante la construcción de prototipos, esto es extremadamente caro y solo es prácticamente factible en las últimas fases de diseño para probar el diseño básico y calibrar los sistemas de restricción. Durante las primeras etapas del diseño de vehículos hechos de metal, se utilizan análisis de elementos finitos para modelizar el comportamiento y la interacción de las diversas piezas metálicas y predecir sus prestaciones en caso de impacto. Esto significa que los diseños se pueden proponer, probar y modificar utilizando técnicas de modelizado por ordenador con mucha menos dependencia de la producción y pruebas en costosos prototipos.

Sin embargo, este planteamiento no funciona actualmente para materiales que se pueden aplastar, tal como los materiales compuestos. La razón de esto es que los materiales compuestos absorben energía por un mecanismo muy diferente a las estructuras metálicas. Las estructuras metálicas absorben energía por el plegado plástico del metal, iniciado por pandeo local del material, que se puede caracterizar por una curva de esfuerzo frente a deformación con un buen fin. En el límite, el fallo final, que puede ser desgarro o fractura frágil, tiene como resultado que el elemento no es capaz de transferir carga, aunque su volumen inicial queda esencialmente sin cambios.

A escala microscópica, sin embargo, algunos materiales, tales como los materiales compuestos, absorben energía por el aplastamiento local del material, por agrietamiento de matriz, pandeo y fractura de fibras, calentamiento por rozamiento, etc. Visto en macroescala, el material se aplasta esencialmente o es consumido por el impacto de manera continua, y el volumen del material se reduce a medida que el material estructural se convierte en desechos.

Es ampliamente reconocido en la técnica que no existe una manera satisfactoria para modelizar las prestaciones de aplastamiento de los materiales compuestos. Las técnicas existentes de análisis por elementos finitos como se demuestra en "Axial and Laterial Impact Prediction of Composite Structures Using Explicit Finite Element Analysis" Actas del Congreso y la Exposición Internacional de Ingeniería Mecánica, 17-22 de noviembre de 2002 de Ari G. Caliskan tienden a tratar los elementos de materiales compuestos considerando todo el elemento, o capas independientes del mismo, como que mantienen su integridad hasta que se llega al valor apropiado de esfuerzo de fallo, después de lo cual la capa o elemento se suprimen del análisis, o el elemento o capa se suprimen del análisis en un periodo de tiempo predefinido.

En un ejemplo típico, esto podría tener como resultado que el elemento se suprimiera con sólo el 5% de su longitud original de orilla comprimida. Los cálculos convencionales por elementos finitos esencialmente no pueden hacer frente a grandes cambios en el volumen y por lo tanto hacen fallar catastróficamente al elemento cuando en realidad el volumen sin impacto de material aún tenía una significativa capacidad para absorber energía. Esto tiene el efecto de que los resultados de los análisis sobre la base de tales técnicas no se ponen en correlación satisfactoriamente con los resultados experimentales reales, de tal manera que se puede confiar en ellos para predecir las prestaciones de estructuras p. ej. automóviles en caso de un impacto.

Este es claramente un grave inconveniente de las técnicas convencionales y, en la práctica, significa que no se utilizan materiales compuestos o, en los pocos casos en que se utilizan, ya sea la estructura debe tener suficiente ingeniería para asegurar el nivel mínimo requerido de prestaciones, o que se necesitan grandes prototipos y pruebas con el fin de evaluar sus prestaciones, que por supuesto consumen demasiado tiempo y son caros.

Existe la necesidad, por tanto, de poder predecir de manera fiable las prestaciones de los materiales compuestos durante un impacto.

Compendio de la invención Cuando se ve desde un primer aspecto, la presente invención proporciona un método implementado en ordenador para la determinación de la resistencia a impactos de una estructura según la reivindicación 1.

Cuando se ve desde un segundo aspecto, la invención proporciona software informático para ejecutar el método.

Cuando se ve desde un aspecto adicional, la invención proporciona un aparato de procesamiento de datos programado para ejecutar el método.

Los inventores han reconocido que durante un aplastamiento se puede hacer una aproximación del modo de fallo real de los materiales que se pueden aplastar como que se da una resistencia en curso por todo el consumo continuo del elemento o capa en la parte frontal de aplastamiento en lugar de dejar que el elemento o capa en su conjunto sufran un único fallo rápido.

Los inventores se han dado cuenta de que el planteamiento según la invención da unos resultados mucho más fiables y precisos en circunstancias en las que el material experimenta aplastamiento.

Debe apreciarse que la fuerza de resistencia devuelta para el elemento o capa no es el esfuerzo máximo de fallo, sino que es un valor algo inferior que se calcula a partir de la teoría de materiales o se determina empíricamente. Para dar un ejemplo específico, de un material compuesto de carbono típico de alta resistencia, tal como el T300, en un sistema de resina endurecida el esfuerzo máximo de compresión es del orden de 600 newtons por milímetro cuadrado (N/mm2) . Sin embargo, si el material se aplasta continuamente, la resistencia al objeto impactante es del orden de 100 N/mm2 es decir, aproximadamente 1/6 del valor máximo de resistencia a la compresión.

La invención por lo tanto añade con efectividad un nuevo modo de fallo para los elementos que se determinan que son los que en realidad experimentan aplastamiento, es decir devuelve a fuerza de resistencia por toda la longitud consumida del elemento. La parte frontal de aplastamiento puede ser simplemente la cara delantera de la barrera que impacta en la estructura aunque esto no es esencial y la parte frontal... [Seguir leyendo]

1. Un método implementado en ordenador para determinar la resistencia a impactos de una estructura que incluye un material compuesto que se puede aplastar, que comprende:

llevar a cabo cálculos de análisis por elementos finitos para determinar dicha resistencia a impactos, el método comprende además las etapas de:

determinar una o más capas de un elemento finito de dicho material durante un impacto si dicho elemento o capa del mismo se va a tratar como que falla por aplastamiento; y

si se determina que dicho elemento o capa va a fallar, el método comprende además las etapas de:

suspender los cálculos del análisis por elementos finitos para dicho elemento o capa,

calcular la resistencia en curso para el elemento o capa, en donde dicha resistencia en curso es inferior al máximo esfuerzo de fallo por compresión del elemento o la capa, y en donde dicha resistencia en curso se calcula a partir de la teoría de materiales o se determina empíricamente, de tal manera que para un conjunto dado de condiciones macroscópicas que comprenden el área de contacto con un objeto impactante, la velocidad y un ángulo de impacto, la resistencia es un único valor macroscópico,

definir una parte de apoyo de carga de la estructura, y

tratar dicha parte de apoyo de carga con el propósito cálculos subsiguientes como que exhiben dicha resistencia en curso en toda la longitud consumida del elemento o capa.

2. Un método según la reivindicación 1 en donde dicha parte de apoyo de carga comprende una parte de dicho elemento o capa.

3. Un método según la reivindicación 2 que comprende definir una parte frontal de aplastamiento y permitir que dicho elemento o capa pasen a través de dicha parte frontal de aplastamiento mientras se está aplastando.

4. Un método según la reivindicación 2 o 3 que comprende aplicar dicha resistencia en curso a nodos individuales del elemento o capa de modo que la parte de apoyo de carga comprende dichos nodos.

5. Un método según la reivindicación 4 que comprende:

definir una parte frontal de aplastamiento y permitir que dicho elemento o capa pasen a través de dicha parte frontal de aplastamiento mientras se está aplastando; y

dividir dicha resistencia en curso entre los nodos que han pasado a través de la parte frontal de aplastamiento y los nodos que no, como una función de la cantidad del elemento o capa por área o distancia de penetración que ha pasado a través de la parte frontal de aplastamiento.

6. Un método según la reivindicación 5 que comprende dividir dicha resistencia en curso entre los nodos que han pasado a través de la parte frontal de aplastamiento y los nodos que no, en proporciones según la cantidad del elemento o capa por área o distancia de penetración que ha pasado a través de la parte frontal de aplastamiento.

7. Un método según cualquier reivindicación precedente que comprende determinar si el elemento o capa se va a tratar como que falla por aplastamiento mediante la determinación de si una barrera de objeto impactante ha invadido adentro de un espacio asignado a dicho elemento o capa.

8. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 que comprende determinar si el elemento o capa se va a tratar como que falla por aplastamiento mediante el cálculo del esfuerzo o deformación sobre el elemento o capa y comparando dicho esfuerzo o deformación con un valor de fallo de umbral.

9. Un método según cualquier reivindicación precedente que comprende definir una parte frontal de aplastamiento y determinar dicha resistencia en curso como una función de un grosor del elemento o capa que están siendo aplastados a lo largo de la parte frontal de aplastamiento y/o como una función de una zona de contacto con la parte frontal de aplastamiento.

10. Un método según la reivindicación 9 en donde para un elemento dado dicha resistencia en curso tiene un valor real que es una función constante del área de contacto.

11. Un método según la reivindicación 10 que comprende definir dicha resistencia en curso como directamente proporcional al área de contacto.

12. Un método según cualquier reivindicación precedente, en donde dicho material que se puede aplastar es un material compuesto que tiene una pluralidad de capas, el método comprende determinar dicha resistencia en curso como una función de la distribución de dichas capas.

13. Un método según la reivindicación 12 que comprende determinar dicha resistencia en curso como una función del orden de dichas capas en el material compuesto y/o como una función de uno o más parámetros dinámicos relacionados con el impacto.

14. Un método según la reivindicación 13 que comprende determinar dicha resistencia en curso como una función de una velocidad y/o el ángulo con el que se golpea dicho elemento o capa, y/o como una función de la cantidad de rotación impartida al elemento o capa.

15. Un método según cualquier reivindicación precedente, que comprende la etapa de designar un conjunto de elementos finitos de la estructura como que es susceptible de aplastamiento.

16. Un método según la reivindicación 15 en donde dicho conjunto es sólo un subconjunto de todos los elementos disponibles.

17. Un método según cualquier reivindicación precedente que comprende además llevar a cabo cálculos en paralelo por elementos finitos y revertir a dichos cálculos en el caso de que en cualquier momento se calcule que el elemento o capa ha fallado debido a un modo de fallo sin aplastamiento.

18. Un método según cualquier reivindicación precedente que comprende asignar a un elemento una capacidad degradada de aplastamiento para un análisis futuro de aplastamiento si el análisis de dicho elemento o capa revierte al análisis de elementos finitos.

19. Un método según cualquier reivindicación precedente en donde dichos elementos finitos son elementos de cáscara, elementos sólidos o transmitir de viga.

20. Un método según cualquier reivindicación precedente que comprende definir una parte frontal de aplastamiento y ajustar la velocidad relativa entre un objeto impactante y dicho elemento o capa durante el paso de la parte frontal de aplastamiento a través del elemento.

21. Un método según la reivindicación 20 que comprende modificar la resistencia en curso a lo largo de la longitud del elemento según una determinada función de la velocidad relativa.

22. Un método según cualquier reivindicación precedente que comprende definir una parte frontal de aplastamiento y ajustar un ángulo de impacto entre un objeto impactante y dicho elemento o capa durante el paso de la parte frontal de aplastamiento a través del elemento.

23. Un método según la reivindicación 22 que comprende modificar la resistencia en curso a lo largo de la longitud del elemento según una determinada función del ángulo de impacto.

24. Un método según cualquier reivindicación precedente que comprende definir una parte frontal de aplastamiento y especificar un rozamiento del elemento o capa con la parte frontal de aplastamiento.

25. Un método según cualquier reivindicación precedente que comprende especificar coeficientes de amortiguación del material.

26. Un método según cualquier reivindicación precedente en donde dicho material que se puede aplastar comprende un material compuesto, preferiblemente un material compuesto reforzado con fibra, más preferiblemente una resina reforzada con fibra de carbono.

27. Un soporte legible por ordenador que comprende un software informático que cuando se ejecuta en un ordenador ejecuta un método según cualquier reivindicación precedente.

28. Un aparato de procesamiento de datos programado para ejecutar el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26.