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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 >
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
Análisis de un caso real de optimización
Situación normativa
Futuro de la simulación
4
5
6
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Conclusiones 7
Introducción - Concepto general del método
< 4 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
Método de los elementos finitos (MEF)
Sistema continuo con
infinitos grados de libertad
Sistema con un número
finito de grados de libertad
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Nodos
Grados de libertad: Desplazamientos y giros en los nodos
Introducción - Concepto general del método
< 5 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
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
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
INDICE
< 6 >
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
Análisis de un caso real de optimización
Situación normativa
Futuro de la simulación
4
5
6
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Conclusiones 7
Simulación por elementos finitos – desarrollo de producto
< 7 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
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
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Simulación por elementos finitos – desarrollo de producto
< 8 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
Prototipo 1
Prototipo 2
Prototipo n Ensayo
Prototipo n
Producto
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
MEF: método aproximado
complementario a los ensayos
Disminuye el nº de
prototipos físicos
necesarios
…
MEF
Prototipos
virtuales
Prototipos
físicos
INDICE
< 9 >
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
Análisis de un caso real de optimización
Situación normativa
Futuro de la simulación
4
5
6
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Conclusiones 7
Simulación de ensayos de impacto UNE-EN 1317
< 10 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
Vehículo Sistema de
contención
Interacción
vehículo - sistema
Crash - test
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Simulación de ensayos de impacto UNE-EN 1317
< 11 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
Terreno
Vehículo
Sistema de
contención
Geometría de diseño
Geometría para
simulación
Mallado
Materiales, condiciones
de contorno, …
Resolución
Postproceso
Dominio
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Simulación de ensayos de impacto UNE-EN 1317
< 12 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
Geometría de diseño
Geometría para
simulación
Mallado
Materiales, condiciones
de contorno, …
Resolución
Postproceso
Geometría de diseño
Geometría simulación
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Mallado
Componentes del sistema
Abatimientos al terreno
Longitud de ensayo
Geometría simplificada
Simulación de ensayos de impacto UNE-EN 1317
< 13 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
Geometría de diseño
Geometría para
simulación
Mallado
Materiales, condiciones
de contorno, …
Resolución
Postproceso
Material
Sistema de
contención
Terreno
Uniones
atornilladas Contactos: ruedas-suelo, ruedas-
sistema, sistema-sistema, …
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Simulación de ensayos de impacto UNE-EN 1317
< 14 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
Geometría de diseño
Geometría para
simulación
Mallado
Materiales, condiciones
de contorno, …
Resolución
Postproceso
Resolución
Postproceso
Desprendimiento de piezas
Tensiones/deformaciones
Balances energéticos
WW, DD, ASI, THIV, PHD, etc.
Gráficos, videos
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Simulación de ensayos de impacto UNE-EN 1317
< 15 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
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
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Simulación de ensayos de impacto UNE-EN 1317
< 16 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
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
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Simulación de ensayos de impacto UNE-EN 1317
< 17 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
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
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Simulación de ensayos de impacto UNE-EN 1317
< 18 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
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
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Simulación de ensayos de impacto UNE-EN 1317
< 19 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
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
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
< 20 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
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
Simulación de ensayos de impacto UNE-EN 1317
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
INDICE
< 21 >
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
Análisis de un caso real de optimización
Situación normativa
Futuro de la simulación
4
5
6
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Conclusiones 7
Análisis de un caso real de optimización
< 22 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
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.
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Análisis de un caso real de optimización
< 23 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
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
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Análisis de un caso real de optimización
< 24 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
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.
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
INDICE
< 25 >
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
Análisis de un caso real de optimización
Situación normativa
Futuro de la simulación
4
5
6
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Conclusiones 7
Situación normativa
< 26 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
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
Situación normativa
< 27 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
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
Situación normativa
< 28 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
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
Situación normativa
< 29 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
Informe Técnico (TR): “Road restraint systems – Guidelines for
computational mechanics of crash testing against vehicle restraint
system”
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
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 >
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
Análisis de un caso real de optimización
Situación normativa
Futuro de la simulación
4
5
6
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Conclusiones 7
Futuro de la simulación
< 31 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
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.
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Futuro de la simulación
< 32 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
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 >
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
Análisis de un caso real de optimización
Situación normativa
Conclusiones
4
5
6
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
Futuro de la simulación
7
CONCLUSIONES
< 34 >
Presente y futuro de la simulación por elementos finitos para
optimización de sistemas de contención
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.
IX Jornada sobre barreras metálicas de seguridad – Tenerife, 24/11/2011
MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN
Cristina Rodríguez Fernández
Responsable I+D+i
crodriguez@mieres.condesa.com
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