Crashworthiness analysis and design optimization of hybrid impact energy absorbers

Abstract

En el campo de investigación del diseño y la optimización de estructuras de protección y absorción de energía, se ha experimentado un importante avance gracias a las rápidas mejoras de las herramientas de modelado y simulación computacionales. En lo relativo a vehículos de carretera, este énfasis se ha notado desde los años 1990, motivado por las preocupaciones y necesidades de la sociedad. Las colisiones frontales son especialmente fatales para los ocupantes y, por lo tanto, se ha prestado especial atención a la absorción de energía y comportamiento frente a impacto de las partes frontales de los vehículos. Este esfuerzo ha conducido a diseños estructurales en los que los elementos frontales se aplastan longitudinalmente de forma progresiva y controlada, absorbiendo una considerable cantidad de energía cinética por medio de mecanismos de disipación plástica en metales, aplastamiento de espumas o degradación y fractura de materiales compuestos. Hoy en día, se utilizan muy habitualmente en la industria perfiles de acero o aluminio, aunque existen otros materiales igualmente adecuados. En particular, una forma de mejorar el comportamiento de estos elementos estructurales es combinar varios materiales en un único diseño, de forma que las mejores características de cada uno contribuyan al comportamiento global del componente. Esta tesis doctoral presenta una investigación acerca de la absorción de energía y el comportamiento frente a impacto de elementos estructurales consistentes en una combinación de un tubo metálico y diferentes refuerzos internos en materiales no metálicos. Se han realizado ensayos experimentales y simulaciones computacionales de elementos rellenos de láminas de fibra de carbono o fibra de vidrio, espuma de tereftalato de polietileno y un aglomerado de corcho para evaluar su comportamiento frente a impacto. En primer lugar, se presenta una campaña de ensayos experimentales y numéricos del aplastamiento axial de componentes rellenos hechos de un perfil de acero ensamblado mediante soldadura por puntos, trabajo hecho en colaboración con el centro de investigación CTAG (Centro Tecnolóxico da Automoción de Galicia) en el marco del proyecto "Hybrid Body", financiado con fondos públicos de la Xunta de Galicia. Los resultados de los componentes rellenos con placas de fibra de vidrio o espuma mostraron un comportamiento particularmente bueno en términos de distintas métricas usadas para su evaluación. Se realizó asimismo un estudio paramétrico para examinar con mayor precisión el comportamiento de los componentes rellenos de fibra de vidrio, así como la influencia del espaciado y distribución de los puntos de soldadura en los resultados. A la vista de lo anterior, se procedió a optimizar los tubos rellenos de placas de fibra de vidrio con el objetivo de obtener los diseños óptimos para dos funciones objetivo simultáneas: la absorción específica de energía y la relación de carga. Esta optimización se ejecutó sobre metamodelos de las funciones objetivo. Se utilizaron para este fin un algoritmo de gradiente conjugado y un algoritmo genético, que fueron ejecutados sobre un metamodelo de regresión de splines adaptativas multivariadas (MARS) y comparados entre sí. Se observó que el comportamiento de este componente se podría mejorar si las placas internas de fibra de vidrio se confinasen de alguna manera en el interior del tubo, dado que algunos pedazos se desprenden con las primeras fracturas. Para ello, un nuevo diseño consistente en un tubo de aluminio relleno con placas de fibra de vidrio embebidas en espuma sintética se ensayó numérica y computacionalmente. Este trabajo se realizó durante una estancia de investigación de seis meses en el laboratorio de impacto estructural (SIMLab) de la NTNU en Trondheim, Noruega. Se obtuvieron algunos resultados de interés propiciados por el hecho de que la interacción entre los dos materiales de refuerzo mejoró, en efecto, el comportamiento del elemento estructural. Esta interacción fue analizada y cuantificada por medio de la fórmula de Hanssen para secciones de aluminio rellenas de espuma, que fue modificada pertinentemente en esta tesis para tener en cuenta la interacción entre dos refuerzos. Después de estos ensayos experimentales, se construyó un nuevo modelo de elementos finitos basado en una campaña de ensayos de materiales para simular el comportamiento de este último diseño. El comportamiento de este modelo se validó con los ensayos experimentales, mostrando una excelente correlación. Se construyó también un modelo adicional considerando acero en lugar de aluminio para el tubo exterior. Se ajustó un metamodelo MARS a un muestreo de resultados computacionales considerando distintas métricas de absorción de impactos, que fueron usadas posteriormente en un problema de optimización multi-objetivo. Como variables de diseño se tomaron la densidad de la espuma y los espesores de la fibra de vidrio y los metales. El problema se resolvió con el algoritmo genético probado con anterioridad. Los resultados muestran que el comportamiento frente a impacto de tubos de acero o aluminio puede ser mejorado en gran medida con refuerzos internos de fibra de vidrio y espuma de tereftalato de polietileno. Se han obtenido diseños óptimos para elementos seleccionados considerando distintas funciones objetivo relevantes. De la fase de optimización se concluye que un algoritmo evolutivo trabaja sensiblemente mejor que uno de gradiente conjugado en este tipo de problemas, dado que el primero fue capaz de explorar los metamodelos más concienzudamente que el segundo. Se ha descubierto asímismo que la interacción entre placas de fibra de vidrio y espuma de tereftalato de polietileno colocadas en el interior de un tubo metálico es de gran importancia para una mayor absorción de energía del diseño, siendo convenientemente cuantificada.