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ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA ESTUDIO DE NUEVOS DISEÑOS PARA MEJORAR LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN PARA MOTORISTAS MEMORIA Realizado por: ENRIQUE GÓMEZ CISNEROS Y Mª JESÚS ACÍN CAUSAPÉ Dirigido por: RAMÓN MIRALBÉS BUIL Septiembre 2011 Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 1 ÍNDICE CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN Y CONTENIDO 1.1 . Introducción _________________________ 7 1.2. Contenido _________________________ 8 CAPÍTULO II : SPMs EXISTENTES 2.1. Antecedentes ________________________ 11 2.2. Estado del arte ________________________ 14 CAPÍTULO III : OBJETIVOS 3.1. Objetivos del proyecto ________________________ 19 CAPÍTULO IV : ACCIONES DESARROLLADAS 4.1. Metodología ________________________ 22 4.2. Estudio del modelo actual ________________________ 24 4.3. Estudio de nuevas propuestas ________________________ 41 4.3.1.1 Modelo 1 ________________________ 41 4.3.1.2 Modelo 2 ________________________ 48 4.3.1.3 Modelo 3 ________________________ 55 4.3.1.4 Modelo 4 ________________________ 62 Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 2 CAPÍTULO V : CONCLUSIONES 5.1. Comparación de resultados ________________________ 72 5.2. Limitaciones y futuras líneas de investigación ________________________ 74 CAPÍTULO VI : BIBLIOGRAFÍA 6.1. Bibliografía ________________________ 76 CAPITULO VII : ANEXOS 7.1. Anexo I: Norma UNE 135 900 ________________________ 78 7.2. Anexo II: Modificación orden circular ___________________84 7.3. Anexo III: Planos utilizados para el diseño de la bionda actual ________________________ 93 7.4. Anexo IV: Modelo simulador de cabeza ___________________95 7.5. Anexo V: Elementos Finitos ________________________ 98 7.6. Anexo VI: Materiales elastoplásticos __________________101 Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 3 ÍNDICE ILUSTRACIONES 1. Posibles consecuencias en una caída ________________________ 14 2. Elemento de protección puntual ________________________ 15 3. Elemento de protección continua ________________________ 15 4. Sistemas de protección para motoristas _______________________ 16 5. Perfil bionda superior _____________________________24 6. Creación de la geometría _____________________________ 25 7. Geometría completa _____________________________ 26 8. Geometría del separador _____________________________ 26 9. Geometría tierra _____________________________ 27 10. Mallado _____________________________ 28 11. Mallado del separador _____________________________ 29 12. Equivalencia de nodos _____________________________ 29 13. Verificación _____________________________ 30 14. Verificación del separador _____________________________ 30 15. Vista final _____________________________ 31 16. Malla tierra _____________________________ 32 17. Vista frontal del conjunto _____________________________ 33 18. Extremo derecho con condiciones de contorno ________________ 34 19. Condiciones de contorno _____________________________ 35 20. Movimiento cabeza _____________________________ 35 21. Dirección, ángulo y velocidad _____________________________ 36 22. Impacto en vano _____________________________ 37 23. Tensión máxima _____________________________ 37 24. Detalle tensión máxima _____________________________ 38 25. Grafica aceleraciones _____________________________ 38 26. Impacto poste _____________________________ 39 27. Tensión máxima _____________________________ 39 28. Grafica aceleraciones _____________________________ 40 29. Bionda inferior nuevo modelo _____________________________ 41 30. Unión _____________________________ 42 Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 4 31. Verificación _____________________________ 43 32. Impacto centro vano _____________________________ 44 33. Tensión máxima _____________________________ 44 34. Grafica aceleraciones _____________________________ 45 35. Impacto dirección poste _____________________________ 46 36. Tensión máxima _____________________________ 46 37. Grafica aceleraciones _____________________________ 47 38. Modelo 2, bionda plana _____________________________ 48 39. Mallado modelo plano _____________________________ 49 40. Verificación _____________________________ 49 41. Impacto en vano _____________________________ 51 42. Tensión máxima _____________________________ 51 43. Gráfica aceleraciones _____________________________ 52 44. Impacto en poste _____________________________ 53 45. Tensión máxima _____________________________ 53 46. Gráfica aceleraciones _____________________________ 54 47. Modelo 3, bionda S _____________________________ 55 48. Mallado y perfil _____________________________ 56 49. Verificación _____________________________ 57 50. Impacto en vano _____________________________ 58 51. Tensión máxima _____________________________ 58 52. Grafica aceleraciones _____________________________ 59 53. Impacto en poste _____________________________ 60 54. Tensión máxima _____________________________ 60 55. Grafica aceleraciones _____________________________ 61 56. Modelo 4, bionda C inversa _____________________________ 62 57. Unión _____________________________ 63 58. Verificar _____________________________ 63 59. Impacto centro vano _____________________________ 65 60. Tensión máxima _____________________________ 65 61. Detalle tensión máxima _____________________________ 66 62. Detalle tensión máxima en poste_____________________________ 66 Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 5 63. Grafica aceleraciones _____________________________ 67 64. Impacto en poste _____________________________ 68 65. Tensión máxima _____________________________ 68 66. Detalle tensión máxima _____________________________ 69 67. Detalle tensión máxima _____________________________ 69 68. Grafica aceleraciones _____________________________ 70 69. SPM con resultados positivos _____________________________ 73 70. Lanzamiento 1 _____________________________ 78 71. Lanzamiento 2 _____________________________ 79 72. Lanzamiento 3 _____________________________ 79 73. Índices biomecánicos _____________________________ 81 74. Valla superior _____________________________ 93 75. Valla inferior(SPM) _____________________________ 93 76. Separador y unión _____________________________ 94 77. Poste _____________________________ 94 78. Impactadores _____________________________ 95 79. Impactador cabeza _____________________________ 96 80. MEF _____________________________ 98 Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 6 Capítulo I INTRODUCCIÓN Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 7 1.1. INTRODUCCIÓN. El objeto de este proyecto es el diseño de nuevos modelos que mejoren los nuevos sistemas de protección de motoristas colocados sobre las barreras de seguridad en las carreteras. Las barreras de seguridad han sido diseñadas principalmente para evitar y reducir el daño provocado en accidentes y salidas de calzada de automóviles. Estos sistemas han ido mejorando con los años, tanto con respecto a los automóviles, como con respecto a los motoristas y ciclistas, añadiendo una segunda barrera inferior, aunque queda claro que es necesario seguir buscando nuevos modelos, mejorando los resultados con respecto a estos últimos; ya que son los mayores perjudicados. Como es conocido, son numerosos los grupos, especialmente motoristas, que han puesto de manifiesto su opinión respecto de estos sistemas, los cuales en muchos casos, en lugar de salvar vidas, los quitan o provocan daños importantes e irreversibles. Por ello, es necesario buscar nuevas soluciones, que realmente cumplan con su propósito, tanto en accidentes de coche, como sobretodo en el caso de motoristas. Todo ello ha motivado el presente proyecto fin de carrera en el que se diseñan y analizan nuevos sistemas de protección de motoristas (SPM), partiendo de los modelos actuales con la disminución de los daños en motoristas. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 8 1.2. CONTENIDO El presente proyecto se ha dividido en siete capítulos, en los que se describe el estado del arte de los quitamiedos y de los SPMs y se analiza numéricamente el diseño más habitual de SPM (BMSNA 2/120b); con ello se obtienen los niveles de seguridad de los actuales SPMs que servirán para compararlos con los nuevos diseños propuestos. Tras ello se han diseñado diversos SPMs que han sido analizados numéricamente utilizando el método de los elementos finitos y se han comparado los resultados obtenidos con los valores de referencia de los SPMs comerciales; en algunos casos se han obtenido resultados más favorables que implican una reducción en la severidad de las lesiones sobre el motorista, por lo que dichos diseños supondrían una mejora sobre los diseños ya existentes. La estructuración del proyecto queda definida de la siguiente forma: Capítulo I : Introducción. En este apartado se realiza una breve introducción sobre los sistemas de protección, así como una aclaración de la estructura que vamos a seguir. Capitulo II : SPMs existentes. En este capítulo se expone la evolución que han ido sufriendo estos dispositivos, tanto en temas de normativas como los diferentes tipos que podemos encontrar. Capitulo III : Objetivos. En éste, se presentan los objetivos que se pretenden conseguir mediante la realización de este proyecto. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 15 Actualmente se pueden encontrar diversos sistemas de protección, de diferentes formas, materiales… No es de extrañar, ya que se podría definir los sistemas de protección para motoristas en la barrera metálica como cualquier objeto situado en la propia barrera o su entorno, cuya finalidad es la de reducir las consecuencias sobre el cuerpo del motorista ya sea por el impacto contra esta o por la salida de la calzada. Por todo esto existen dos tipos de protección. • Protecciones puntuales: dispositivos colocados alrededor del poste que sujeta la barrera; únicamente se consigue disminuir la fuerza del impacto entre el motorista y el poste. Actualmente este sistema está en desuso y no se instalan este tipo de sistemas ya que los niveles de protección son bajos. Figura 2. Elemento protección puntual Figura 3. Elemento de protección continua • Protecciones continuas: sistemas dispuestos de manera continua, a lo largo de la barrera, que evitan que el motorista atraviese la barrera. No solo protegen al motorista del impacto directo con el poste, sino que Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 16 como se ha dicho impiden la salida de la calzada, evitando tanto caídas por desniveles, como la invasión del sentido contrario en el caso de las barreras centrales de autovías y autopistas. Los que realmente interesan, son las protecciones continuas; por ello los nuevos diseños se centrarán en este tipo. Se pueden encontrar diferentes tipos y diseños de SPM, pero recomendados por el Gobierno, y recogidos en la orden circular 18bis/2008 son los siguientes: Figura 4. Sistemas de protección para motoristas. En el anexo II se puede ver los detalles que contempla esta orden circular. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 17 El índice de severidad son los niveles de severidad admisibles establecidos por el Gobierno: el nivel I es más restrictivo, máximas garantías de protección frente al impacto contra el SPM; el nivel II dispone de un nivel inferior al nivel I, y aunque garantice la vida del motorista en las condiciones de ensayo, podría derivar en un resultado lesivo más severo. Para clasificar un sistema para protección de motociclistas como nivel I todos los valores de los índices de los tres ensayos deben ser “nivel I”, si alguno no cumple como nivel I pero todos cumplen como nivel II se considerara al sistema parra protección de motociclistas como nivel II. En el caso de que alguno de los valores de los índices en los tres ensayos no cumpliera como nivel II se considerara inadmisible dicho sistema de protección. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 18 Capítulo III OBJETIVOS Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 19 3.1. OBJETIVO El objetivo principal de este proyecto es el diseño de nuevos SPMs, que cumpliendo con la norma existente en nuestro país, proporcionen unos niveles de seguridad mejores que los de los actuales quitamiedos con lo que se suponen que se reducirán los posibles daños que se puedan producir en un accidente. Para ello se han desarrollado nuevos SPMs siguiendo las siguientes estrategias: • Identificar los diseños más apropiados para mejorar la seguridad de los motoristas. • Reducir al máximo todas las aristas cortantes, para evitar cortes y en caso de fuerte impacto, la amputación. • Reducir las fuerzas del impacto que sufriría el motorista en caso de choque; intentando que sea la barrera la que absorba el máximo posible de energía y no el propio motorista. En este caso, se medirá la aceleración que sufre el motorista en “g’s”, por lo tanto el principal objetivo es conseguir disminuir cuanto sea posible dicho valor. Además, si se consigue reducir también la deformación que sufre la barrera, disminuirá la posibilidad de que se produzca una rotura en ésta, por excesiva deformación. Para todo ello, también se tendrán en cuenta otros factores, como pueden ser, la viabilidad de fabricación de dichos elementos, o el coste que podría suponer, ya que se puede intuir que cuanto más complicada sea la Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 20 geometría del diseño, supondrá una mayor dificultad para a la hora de su fabricación, lo que incrementará el coste del producto. En este proyecto se va a estudiar, en primer lugar, el modelo ya existente (el BMSNA 2/120b), y posteriormente se realizaran cuatro nuevos modelos, los cuales se analizarán de la misma manera que el actual; como se explica en el apartado siguiente. El ensayo a realizar para la obtención de datos, y por tanto poder hacer una comparativa, va a ser el lanzamiento de un simulador de una cabeza humana con un acelerómetro en su interior contra los diferentes modelos a estudiar. Este ensayo se repetirá en dos ocasiones, una simulando el choque contra el centro del vano y otra simulando este contra el poste como especifica la normativa UNE 135 900. Esta es la normativa referente a estos ensayos y se encuentra detallada en el Anexo I, al final de este documento. Finalmente, los datos obtenidos de los lanzamientos anteriores, que se van a analizar son las aceleraciones medidas por el acelerómetro, que simulan las que sufriría en esos casos la cabeza de un motorista. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 21 Capítulo IV ACCIONES DESARROLLADAS Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 22 4.1. METODOLOGÍA Primero, definiremos lo que se conoce como un sistema de protección o contención de motoristas: Se define como, todo dispositivo que, instalado en el margen o la mediana de la carretera, tiene por objeto reducir la gravedad de los incidentes originados por vehículos erráticos que abandonan la calzada. Estos sistemas actúan reemplazando la eventual colisión del vehículo contra un obstáculo o contra un tercero, la caída por desnivel o la invasión de una vía adyacente, por impacto, más controlado, contra el propio sistema. En el conjunto, referido a seguridad vial, se puede encontrar desde las barreras metálicas, petriles; postes; etc. Con este proyecto se pretende encontrar alguna mejora en los actuales SPMs instalados sobre los quitamiedos; mediante el diseño de nuevos modelos. Para ello, los pasos que se han seguido son los siguientes: 1. Realizar una búsqueda de toda la información posible. La normativa que deben cumplir estos elementos, la evolución que han ido sufriendo a lo largo de los años, los problemas que presentan, las quejas que muestran los motoristas, los modelos reglamentados y los modelos patentados… 2. Tener una primera toma de contacto con los programas a utilizar. Estos son MSC Patran y LS-Dyna. Realizar los tutoriales de ambos programas, para aprender a manejar y poder trabajar con estos programas más cómodamente. La principal ventaja de utilizar programas de elementos Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 23 finitos es el tener unos resultados iniciales bastante fiables sobre el comportamiento de la barrera en el impacto de una persona. Así como no necesitar realizar ensayos empíricos con todos los diseños de barreras, lo cual conlleva un encarecimiento del presupuesto. 3. Comenzar con el modelo actual. Dibujar dicho modelo en el programa MSC Patran, para posteriormente modelarlo mediante elementos finitos, aplicándole las propiedades adecuadas y analizarlo, para con el programa LS-Dyna, hacer la simulación del impacto de la cabeza del motorista contra la barrera según la normativa vigente. 4. Estudiar los resultados obtenidos, para saber que se puede mejorar. 5. Pensar en nuevos diseños, que se pueda intuir mejoren dichos resultados. 6. Dibujar estos nuevos modelos, siguiendo los mismos pasos que se han seguido con el modelo actual, primero dibujándolo en Patran y luego importándolo a LS-Dyna. Siguiendo el mismo proceso, estudiar los nuevos resultados, y ver si se obtienen mejoras, o si se puede modifica algo, que dé todavía mejores resultados. El material utilizado en todos los casos es el acero.S355JO (st52). Las principales características que necesitamos para analizar estos modelos son las siguientes: • Densidad : 7850 kg/m³ • E : 210000 MPa • Resistencia a rotura : 520 MPa • Coef. Poison : 0.3 • Limite elástico 355 MPa Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 24 4.2. ESTUDIO DEL MODELO ACTUAL Partiendo de los planos que se muestran en el anexo III, la barrera superior por un lado, y de la barrera inferior por otro, se dibujará esta en MSC Patran. Primeramente, se modela el modelo básico sin protección para motoristas, es decir, el poste, el separador y la barrera superior, ya que estos elementos serán los mismos en todos los casos. 1. GEOMETRÍA: Partiendo por ver los puntos clave de la geometría y su posición respecto de un centro de coordenadas, se aprecia como es una geometría simétrica a lo largo de su eje longitudinal, por lo que para facilitar el trabajo, y por comodidad, se puede trabajar solo con una parte. A partir de ahí, se busca el punto de referencia y su eje de coordenadas en la pantalla, y se van posicionando los diferentes puntos adecuadamente, partiendo por la vista de perfil. Figura 5.Perfil de la bionda superior. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 31 Figura 15. Vista final de la parte superior de la bionda. Llegado a este punto, ya se tiene el modelo simple que hay instalado en la mayoría de las carreteras. Para continuar, se van añadiendo los elementos de la doble bionda. Siguiendo los mismos paso que con los elementos anteriores, primero se dibujaría la unión, que mediante tornillos se une al separador por un lado, y a la bionda inferior por la otra. Ahora ya se puede dibujar la valla inferior, del mismo modo que se ha realizado la superior, ya que también tiene varios planos de simetría. Una vez que se tiene todo dibujado y mallado, solo faltaría dibujar la tierra. A modo de aproximación, se dibujará, como se ha dicho antes, la tierra como un sólido alrededor del poste. A la hora de mallar, hay que tener en cuenta, que por la geometría que tiene, va a resultar complicado mallarlo como una única superficie, por lo se debe dividir en varias superficies. Con ayuda del rectángulo central, se crearan 6 superficies; se mallaran cada una de ellas, por separado, utilizando la semilla de malla, como se ha hecho en algún caso anterior y finalmente con la opción “composite” se “unirán”. Una vez, está mallada la superficie superior, extruimos la malla hacia abajo y se creará el sólido. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 32 Figura 16. Mallado tierra Con todo dibujado, solo faltaría mallar la tierra y los tornillos. La tierra, como se ha dicho, la consideramos un sólido, por tanto, es un elemento 3D, así pues a la hora de mallar seleccionaremos la opción 3D y con la opción de seleccionar sólido se selecciona la tierra. Del mismo modo para los tornillos; se selecciona 1D, ya que se han creado como un elemento barra “ beam” 3. PROPIEDADES: Una vez se tiene todo dibujado y mallado, se aplican las propiedades. Primero se deben introducir los materiales con sus propiedades, importantes son: la densidad, el modulo de Young y coeficiente de poison; aquí también se considerará el espesor que deberían tener los distintos elementos. Primero, en materiales, introducimos el acero con las propiedades mecánicas comentadas anteriormente, posteriormente en el apartado de propiedades, asignamos a los grupos correspondientes, teniendo en cuenta el espesor de cada elemento. Aquí, es donde se aprecia la utilidad de los grupos, ya que ahora simplemente para seleccionar los miembros que se deseen asignar a las propiedades correspondientes es mucho más sencillo. Por ejemplo, a la hora de seleccionar los tornillos, como son los únicos elementos tipo barra/ viga, se seleccionan directamente, del modelo completo, con la opción de seleccionar objeto 1D, Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 33 así solo se seleccionan dichos elementos, ya que son los únicos elementos 1D de todo el modelo. Del mismo modo, para las propiedades de la tierra, como es el único elemento 3D, con la opción elemento 3D, se selecciona rápidamente. Ahora ya está todo el modelo dibujado, mallado, y con las propiedades asignadas. 4. ANÁLISIS: Ya con el modelo acabado, solo faltaría generar un archivo.key, para poder seguir trabajando con el modelo en el siguiente programa. Por tanto, con la opción analyse, se crea dicho archivo y pasaríamos a utilizar el siguiente programa. 5. LS – DYNA: Con este programa se va a simular el impacto de la cabeza con la barrera. Una vez en el programa, primero se abre el archivo que se ha creado anteriormente, con la opción: file ->open->LS-Dyna Keyword, así se puede ver el modelo. Para ver la parte que simula la cabeza, se hace lo mismo, pero en vez de con la opción open, con la opción import. Ahora si, tenemos nuestro modelo y la cabeza. Con respecto a las características de dicha cabeza, se adjunta el anexo V. Figura 17.Vista frontal de todo el conjunto(Quitamiedos y cabeza) Posteriormente, se aplican las condiciones de contorno. Se restringe el desplazamiento y giro respecto de los tres ejes, esta restricción se aplica en los extremos, tanto izquierdo como derecho, de las vallas, tanto la inferior Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 34 como la superior, en la base inferior de la tierra, y en todo el área exterior de la tierra. Para ello, se utiliza la pestaña numero 5, en la opción SPC, se selecciona crear, nodo, y todas las restricciones que aparecen. Figura 18. Extremo derecho con las condiciones de contorno En este caso la selección es muy rápida, ya que con la opción área, se crea un área dentro de la cual esta este extremo. Para la base inferior de la tierra sucede lo mismo, la cosa se complica a la hora de seleccionar la parte exterior de la tierra. Para ello, se busca la vista planta, y se ocultan todos los elementos salvo la tierra. Una vez ahí, se selecciona solo el perímetro de dicho elemento, en este caso, se utiliza la opción “poly”, y se va creando una línea en la que quede encerrado el perímetro. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 35 Figura 19.Condiciones de contorno Con esto, ya se tienen las condiciones de contorno aplicadas. Ahora vamos con las velocidades de la cabeza. En el caso de la velocidad, como el elemento móvil es la cabeza, se aplicarán las condiciones de movimiento a la cabeza. Para ello, como la velocidad del ensayo es de 60km/h, primero se tiene que pasar a las mismas unidades, es decir mm/s: 60km/s ≈ 16666.66 mm/s. Una vez que listo, hay que ver como se mueve en los ejes, ya que se simula el choque con 30° de inclinación, por lo que se debe descomponer la velocidad en las dos componentes correspondientes en sus respectivos ejes. Figura 20. Movimiento cabeza. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 36 En éste, como se aprecia en la imagen, la cabeza se desplazará hacia la izquierda de la imagen, (en dirección X negativa) y hacia “dentro” del papel, es decir hacia la barrera, (dirección Z negativa). Por tanto, el vector velocidad que va a definir el movimiento de la cabeza es el siguiente: ( -14333.33 , 0 , -8333). Figura 21. Dirección, ángulo y velocidad Como se puede observar en la imagen, el impacto de la cabeza se realiza con un ángulo de inclinación de 30º. Para el análisis de la bionda se deben obtener los datos de dos tipos de impactos que contempla la normativa, uno situado en el centro del vano, y el otro, el poste debe de estar situado en la dirección de la cabeza. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 37 IMPACTO EN VANO El primer lanzamiento se efectúa con impacto en el centro del vano, como se aprecia en las imágenes anteriores. Para este caso se obtienen los siguientes resultados. Figura 22. Impacto en vano Primero se comprueba que realmente el modelo no rompe en ningún lugar. Para ello, se obtiene una tensión máxima que tiene un valor de 427 MPa, mientras que el limite de rotura de este acero es de 520 MPa, por tanto queda comprobado que este modelo no sufre ninguna rotura. Figura 23. Tensión máxima. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 38 Figura 24. Detalle tensión máxima. En la imagen anterior se observa como en el momento de mayor impacto, todos los elementos sufren algún tipo de tipo tensiones y deformaciones. Como ya se ha comprobado no sufre rotura, por tanto se pasa a comprobar las aceleraciones que sufre la cabeza. Figura 25. Gráfica aceleraciones. Como se puede observar, la aceleración máxima que sufre la cabeza es de 300 g. para este caso. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 39 IMPACTO EN POSTE El segundo lanzamiento fue con el impacto en el poste. Figura 26. Impacto contra poste. Se comprueba también que no rompa en ningún lugar. En este caso la tensión máxima es 428 MPa, como se ha dicho anteriormente, este valor es inferior a los 520 MPa del acero por lo que tampoco sufre ninguna rotura. Figura 27. Tensión máxima. En esta imagen se aprecia, de la misma manera que en le caso anterior, las deformaciones y tensiones que sufren los diferentes elementos. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 40 Por ultimo, se comprueban los valores que salen de las aceleraciones sufridas en este caso. Para este caso, se alcanzan aceleraciones superiores a las anteriores, de 400 g. Figura 28. Gráfica aceleraciones. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 47 En la imagen superior se puede observar que en el momento de mayor impacto el poste y la unión no adquieren una tensión relevante como para que el material pueda romper. Una vez se ha visto que el modelo no rompe a causa del impacto, se estudiará las aceleraciones que recibirá la cabeza lanzada contra la bionda. Figura 37. Grafica aceleraciones En la gráfica superior se puede observar como la aceleración máxima recibida es de casi 2000 g, muy superior al valor obtenido en el caso inicial. También se observa una alta aceleración durante un periodo bastante prolongado, lo cual ha de ser evitado. Como conclusión de este modelo, la valla no romperá debido al impacto, pero debido a su rigidez hace que la cabeza sufra unas aceleraciones muy superiores a las del modelo actual. Por lo que este modelo no mejora al ya existente. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 48 4.3.2. MODELO PLANO Viendo los resultados obtenidos con el primer caso, siguiendo con el criterio pensado en un primer momento, se diseñó un SPM cuyas dimensiones y en parte también la forma, no difiriera mucho del actual. Por lo que se pensó en una bionda plana. Como en el primer caso, se utiliza la misma bionda superior, el separador, el poste y la tierra, únicamente se modifica la unión y el SPM. Figura 38. Modelo 2, bionda plana La bionda, tendría un único plano, con una ligera curvatura en los extremos para evitar que quedará una arista de corte de corte pronunciada. La unión en este caso iría unida también al separador, sería similar a la actual, pero tendría dos ángulos para adaptarse a la bionda. Por lo que, la unión al separador seria la misma que en el primer caso, y la unión a la bionda seria mediante un tornillo. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 49 En las imágenes contiguas se puede apreciar como quedaría la bionda junto la unión una vez malladas(vista desde atrás); así como, una vista del perfil de ambas. Figura 39 . Mallado modelo plano. Una vez tenemos la geometría lista, se pasa a crear la malla de la misma manera que se ha hecho en los anteriores casos. Y se comprueba mediante verify que todo está en orden. Figura 40 : Verificación Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 50 Ahora ya solo quedaría, aplicarle las propiedades a los nuevos elementos; en este caso, se utilizan las misas propiedades que tenían la bionda inferior y la unión en el caso actual. Para finalizar, se analiza el modelo, y se obtiene el archivo .key, que posteriormente se utilizará en LS-Dyna. Pasando al siguiente programa, Como en los casos anteriores, se deben establecer las condiciones de contorno, la gravedad, la velocidad del impacto, el ángulo y la posición de impacto. De esta forma se obtendrán también dos resultados. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 51 IMPACTO EN VANO Figura 41. Impacto en vano Se ven las tensiones que sufre este modelo, y se comprueba si sufre rotura o no. En este caso la tensión máxima que se obtiene es de 150 MPa, por lo que no sufre rotura siendo esta menor que el limite de rotura del material. Figura 42 . Tensión máxima. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 52 Se puede ver que en el momento de máxima tensión apenas se ve afectado el modelo. Figura 43 . Grafica aceleración. Viendo que el modelo no rompe, se prosigue con las comprobaciones de las aceleraciones. En este caso se ve que son muy superiores a las obtenidas en el modelo actual, por lo que el daño sufrido por la cabeza es muy elevado. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 53 IMPACTO EN POSTE Figura 44. Impacto en poste Se comprueban las tensiones sufridas, y se ve que tampoco sufre rotura, ya que el valor máximo obtenido es como el caso anterior, y se comporta de la misma manera, apenas viéndose afectado por el impacto. Figura 45. Tension maxima en poste. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 54 En la grafica se observa, como ocurría con el impacto en el vano, que las aceleraciones sufridas son mucho más elevadas que en el modelo actual. Figura 46. Grafica aceleraciones Como ocurrió en el primer modelo planteado, se ve que la bionda no rompe por el impacto, pero debido a la baja absorción de energía, las aceleraciones sufridas por la cabeza son mucho mayores, por lo que este modelo no sería valido. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 55 4.3.3. MODELO S Viendo los resultados obtenidos con los casos anteriores, y siguiendo con el criterio pensado en un primer momento, se diseñó un SPM con unas formas parecidas al actual SPM, es decir, manteniendo las curvas que presenta éste, pero aplicándolas de distinta manera. Como en los casos anteriores, se utiliza la misma bionda superior, el separador, el poste y la tierra, únicamente se modifica la unión y el SPM. Figura 47. Modelo 3, bionda S La bionda, tendría una superficie uniforme con dos curvas más amplias y una menor para evitar que el final de la superficie fuera una arista cortante en el sentido en que se produciría el impacto. La unión en este caso iría unida directamente al poste, sería similar a la actual, ya que tendría la misma forma pero en este caso formaría un ángulo de 90º. La unión al poste seria mediante un tornillo, y la unión a la bionda con dos tornillos. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 56 Figura 48 . Mallado y perfil. En estas imágenes se puede apreciar como quedaría una vez mallado, así como el perfil del SPM y la unión. Una vez tenemos la geometría lista, se pasa a crear la malla de la misma manera que se ha hecho en los anteriores casos. Y se comprueba mediante verify que todo está en orden. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 63 El diseño de la unión será muy parecido al anterior, con un ángulo de 90º para mayor sencillez, manteniendo la unión con el separador como en el caso inicial mediante dos tornillos, y mediante un tornillo a la bionda inferior. La única diferencia es el mayor tamaño de esta unión para poder resistir mejor el impacto. Figura 57 . Unión Después de terminar con el diseño, habrá que mallar las superficies con los mismos tamaños que en los casos anteriores. Una vez hecho esto habrá que unificar las superficies en contacto para que solo exista una única malla y verificar mediante el comando verify, tras hacer todo esto el resultado debe ser una malla uniforme como la que se muestra a continuación: Figura 58 . Verificar. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 64 Lo siguiente que se realiza será introducir las propiedades del material y analizar el archivo Patran por si hubiese algún error y para conseguir trasformarlo a un archivo.key. Una vez se ha hecho esto, se puede continuar en el Ls_Dyna, donde se introducirá la aceleración gravedad, el contacto entre las superficies del Dummy y la barrera, la velocidad y ángulo de impacto de la cabeza, los empotramientos de la barrera, que se realizaran en los extremos de ambas barreras y en la tierra, y se tomaran dos impactos uno en el centro del vano y otro en el poste. Una vez hecho esto, solo queda comenzar el lanzamiento de la cabeza contra la barrera. Esto sacará dos resultados. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 65 IMPACTO EN EL VANO: Figura 59 . Impacto en centro vano. Lo primero que se va a observar es si la barrera rompe con el impacto de la cabeza, por lo que se busca el momento del impacto en el que la tensión será mayor, y se observa que el valor de dicha tensión es de 424 MPa, Valor muy inferior a la tensión máxima de rotura que es de 520 MPa. Y también es ligeramente inferior a la tensión existente en la bionda inicial. Figura 60 . Tensión máxima. Cabe señalar algunos puntos, como puede ser la unión, donde se puede observar que en el momento de mayor tensión, esta es muy inferior a la máxima que puede recibir, por lo que la unión tampoco romperá. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 66 Figura 61 . Detalle tension máxima En este caso el poste alcanza una tensión máxima de 84 MPa, la cual sigue siendo muy inferior a la tensión de rotura. Figura 62. Detalle tensión en poste Una vez se comprueba que no supera en ningún momento la tensión máxima de rotura, se pasará a ver los resultados de la aceleración que sufre la cabeza del dummy en el impacto. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 67 Figura 63 . Grafica aceleraciones. Se puede observar que la aceleración máxima que recibe es de 130 g, muy inferior a las 300 g que nos daba el sistema inicial en este mismo impacto. Esto significa que hay una reducción del 56.7%. También se puede observar que la aceleración disminuye muy lentamente, lo cual no es aconsejable, pero si se mira en la gráfica de la bionda inicial se observa que cuando llega al valor de 130 g la disminución de la aceleración se atenúa, y disminuye de igual forma a esta última. Por lo que se ha conseguido eliminar la parte inicial del impacto donde la aceleración es mayor. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 68 IMPACTO EN DIRECCIÓN POSTE: Figura 64 . Impacto contra poste. Como en el caso anterior lo primero que se va a observar es si la bionda rompe por algún punto, por lo que se buscará el momento del impacto en el que la tensión será mayor. En este caso dicha tensión es de 419.8 MPa, muy inferior al límite de rotura de este material que se encuentra en 520 MPa. La tensión máxima también es inferior a la que se consigue en la bionda inicial. Figura 65 . Tensión máxima. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 69 La tensión que se obtiene en la unión es de 94.3 MPa, muy inferior a la tensión máxima de rotura. Figura 66 . Detalle tensión máxima. El último caso que se debe observar es el del poste, donde se obtiene una tensión máxima de 19 MPa. Figura 67 . Detalle tensión máxima Una vez se ha visto que el modelo no rompe en su momento crítico por ningún punto pasaremos a estudiar las aceleraciones que sufre la cabeza. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 70 Figura 68 . Grafica aceleraciones. En este caso la aceleración resultante máxima es de 90 g, un valor muy inferior al dado en el impacto en dirección poste del caso inicial, el cual era de 400g. esto significa que hay una reducción del 77,5%. Además la disminución de aceleración es muy rápida por lo que e área que engloba es mucho menor que en el caso inicial. Viendo los resultados para ambos impactos de este modelo, se puede observar que se reducen las aceleraciones máximas que pudieran recibir un posible motorista en su salida de la calzada, así como el tiempo que mantiene una aceleración alta. Por lo que en este modelo se han conseguido resultados muy satisfactorios, mejorando el comportamiento de las actuales biondas, sin que estas se rompan. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 71 Capítulo V CONCLUSIONES Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 72 5.1. COMPARACIÓN DE RESULTADOS Impacto vano tensión máxima ( MPa) Impacto poste tensión máxima ( MPa) Caso existente 427 428 Diseño 1 178 118 Diseño 2 150 150 Diseño 3 220 300 Diseño 4 424 419,8 Lo primero a tener en cuenta es que en ninguno de los diseños analizados, tanto en el existente como en los nuevos diseños, el material alcanza la tensión de rotura de 520 MPa, esto es lo primero que se exigía a los nuevos diseños. Llegando en algunos casos a tensiones de 118 MPa, con una reducción del 72% respecto al caso ya existente. En este caso no es tan importante la reducción, ya que con que el material no rompa será suficiente, siendo los valores a reducir los de las aceleraciones que se muestran en la tabla siguiente. Aceleración impacto vano (g) Aceleración impacto poste (g) Caso existente 300 400 Diseño 1 1300 1900 Diseño 2 2200 2700 Diseño 3 2500 1800 Diseño 4 130 90 Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 79 • SEGUNDO lanzamiento. El impacto se realiza centrado en el poste, el maniquí se sitúa con el eje de la columna vertebral coincidente con la trayectoria de aproximación y su cabeza orientada hacia el punto de impacto. Figura 71 . Lanzamiento 2. • TERCER lanzamiento. El impacto se realiza centrado en el poste; como en el caso anterior, pero en este caso el maniquí se sitúa paralelo a la barrera de seguridad. Figura 72 . Lanzamiento 3. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 80 Estos son los tres casos a probar, eso no quiere decir que si se considera que en el SPM existe algún otro punto de impacto más crítico que los casos anteriores, se podrá definir otro ensayo de impacto adicional en dicho punto. Respecto a las condiciones: • La longitud mínima de la barrera a ensayar será de 16m. • El lugar del ensayo, en general, una superficie plana con un desnivel no superior al 2,5%, estará pavimentado y el pavimento será suficientemente resistente. • Respecto a la cimentación de los postes y el suelo de instalación de la barrera, no menciona ninguna especificación. • Equipamiento del maniquí. Casco comercial integral que requiere ser sometido a dos ensayos previos para su aceptación. Traje de motociclista de cuero de 1 a 1,5 mm de espesor. Guantes de cuero. Botas de motociclista. Masa total del Dummy instrumentado y vestido será de 87,5 kg ± 2,5 Kg • Desviaciones admisibles: Velocidad: -0% a +6%. Angulo de impacto: ±2º. Punto de impacto: ±2 cm. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 81 1.2 ÍNDICES BIOMECÁNICOS En cada uno de los ensayos se medirán unos índices biomecánicos representativos de los riesgos de lesiones en la cabeza (HIC 36 función de las aceleraciones A x , A y y A z ), en el cuello (F x , F y , F z , M x , M y y M z ) y en el tórax, se considerará como valor de cada índice el mayor valor de ese índice en los tres ensayos realizados. Figura 73 . Índices biomecánicos. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 82 1.3 NIVELES DE SEVERIDAD Se establecen dos niveles de severidad admisibles: I y II (el nivel I es más restrictivo, máximas garantías de protección frente al impacto contra el SPM; el nivel II dispone de un nivel inferior al nivel I, y aunque garantice la vida del motorista en las condiciones de ensayo, podría derivar en un resultado lesivo más severo.). Para clasificar un sistema para protección de motociclistas como nivel I todos los valores de los índices de los tres ensayos deben ser “nivel I”, si alguno no cumple como nivel I pero todos cumplen como nivel II se considerara al sistema parra protección de motociclistas como nivel II. En el caso de que alguno de los valores de los índices en los tres ensayos no cumpliera como nivel II se considerara inadmisible dicho sistema de protección. Cabeza Cuello Tórax Nivel de severidad HIC 36 F x (kN) F z tracción(kN) F z compresión(kN) M y (N.m) Deflexión máx.(mm) V.C max (m/s) I ≤ 500 ≤Curva1 ≤ Curva 2 ≤ 4 ≤ 42 ≤ 22 ≤ 0,32 II ≤ 1000 ≤Curva3 ≤ Curva 4 ≤ 4 ≤ 57 ≤ 42 ≤ 1 ( Las curvas 1, 2, 3 y 4 están incluidas en el texto de la UNE) Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 83 1.4. OTRAS COMPROBACIONES. Deberá comprobarse además de todo lo anterior que: • Ningún elemento de más de 2 kg deberá resultar totalmente desprendido. • No se admiten intrusiones, roturas completas de tronco, decapitación o desmembramientos del maniquí. • No se admiten cortes en la vestimenta del maniquí que la atraviese completamente. • No se permiten enganchamientos del maniquí. • No se permiten anchuras de trabajo ni deflexiones dinámicas superiores a los obtenidos ante el impacto de vehículos. • Ninguna parte del maniquí debe sobrepasar el SPM. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 84 7.2. ANEXO II: ORDEN CIRCULAR 18bis/2008 2.1. INTRODUCCIÓN Debido al aumento tanto de motocicletas como de los accidentes sufridos por estos vehículos, fue necesario actualizar la normativa anterior, la Orden Circular 18/2004. Por otro lado, había que tener en cuenta también, el interés que estos elementos suponían para la industria; por lo que estos debían cumplir tanto con los requisitos mínimos establecidos en las normas UNE –EN 1317, como los referentes a la protección de motoristas recogidos en la UNE 135900, así como tener en cuenta los diferentes niveles de severidad. Por todo esto, vamos a destacar algunas de las consideraciones que se describieron en esta orden: • Se ampliaron los criterios de aplicación anteriores. • Se aprobó el siguiente catalogo (Al final de este anexo encontraremos una serie de características de los diferentes modelos de protección) • Los SPM tendrían que acreditar por medio de un certificado de conformidad el grado de cumplimiento de la UNE 135900. A su vez, al disponerse sobre elementos de contención de vehículos, deberían obtener el marcado CE para el conjunto total. • En las barreras en servicio en ese momento con postes que no se encontraran en la OC321/95 TyP, o en disposiciones que no Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 85 permitieran la aplicación de barreras continuas; se permitía el uso de sistemas de protección puntual que cumplieran los ensayos establecidos tanto en la UNE 135900 como en la UNE-EN 1317. • El empleo de un tipo u otro de protección estaría condicionado por las características del tramo de carretera y las condiciones de conservación. Generalmente se emplearían aquellos sistemas que presentando un índice de severidad menor, permitieran una mejor conservación y explotación del tramo de carretera. DENOMINACIÓN NOMBRE COMERCIAL NIVEL DE CONTENCIÓN ÍNDICE DE SEVERIDAD SISTEMAS CONTINUOS BMSNA2/120b N2 I BMASNA2/120c SPM-ES2 N2 I BMSNA4/120d BASYC N2 II BMSNA4/120c SPM-ES4 N2 I BMSNA4/120f SCCM N2 II BMSNA4/120g SPM-ES4TUB N2 I SISTEMAS PUNTUALES BMSNA4/120E SPM-AED1 N2 II Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 86 Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 87 Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 88 Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 95 7.4. ANEXO IV: NORMATIVA SIMULADOR CABEZA Para simular el impacto contra la bionda se necesita simular una cabeza de un motorista, para ello se utilizará el Headform, que es la cabeza que se utiliza para simulaciones empíricas para el caso de atropello de peatones. Las normas que regulan dicho ensayo son la EEVC/WG10 y la EEVC/WG17, en las cuales se hacen ensayos del impacto en la zona de la pierna, el muslo y la cabeza. Figura 78. Impactadores La normativa de estos ensayos es bastante extensa, por lo que nos centraremos en el Headform impactador de una cabeza adulta, por lo que en el modelo de elementos finitos se diseñará una cabeza con las características técnicas de dicho impactador, las cuales son las que describimos a continuación: Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 96 Figura 79. Impactador cabeza La masa del Headform de la cabeza del motorista presenta 4,5 Kg. pudiendo oscilar en ± 0’01 Kilogramos. La superficie de contacto del impactador simulador de la cabeza presentará una forma esférica, con un diámetro de 165 ± 1 mm. El momento de la inercia sobre el eje a través del centro de gravedad, y perpendicular a la dirección del impacto, presentará un rango comprendido entre 0’0075–0´00200 Kgm2, y la instrumentación interna se localizará en el centro de gravedad del impactador con una tolerancia de ± 2 milímetros. En ambos casos, una hendidura en la esfera permitirá el montaje interno del acelerómetro triaxial, o tres uníaxiales, con un margen de tolerancia total en la localización del centro de la esfera para el eje medido de ± 10 milímetros, y una tolerancia de ± 1 mm respecto a la localización del centro de la esfera para la dirección perpendicular al eje de medición. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 97 El material con el que esta realizada esta cabeza es de aluminio, y esta recubierta por una capa de piel de PVC, que consigue que mejore biofidelidad, teniendo un grosor de 12 mm. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 98 7.5. ANEXO V: EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS Los programas de AEF (Análisis por elementos finitos), permiten obtener soluciones aproximadas de problemas que sean susceptibles de ser representados por un sistema de ecuaciones diferenciales. En ingeniería la mayoría de los procesos actuales están definidos de dicha forma, por lo que dichos programas nos permitirán obtener productos de calidad superior a un menor coste, o para mejorar procesos existentes, o para estudiar el fallo de un componente estructural o un equipo. Si se utiliza un programa de AEF se puede ayudar a reducir el tiempo total de desarrollo de un producto, reduciendo el número de ciclos prototipopruebas-ensayos-evaluación. Incluso en algunos casos, no es deseable o práctico el realizar un prototipo: Aplicaciones biomecánicas, aeroespaciales, etc. Figura 80. El método de los elementos finitos (MEF) Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 99 La transformación de un sistema de ingeniería (con infinitas incógnitas) a un modelo de elementos finitos es, quizás, uno de los más importantes y que requiere un conocimiento profundo del MEF. El MEF ( Método de los Elementos Finitos) es un método numérico para la resolución de sistemas de ecuaciones en derivadas parciales. Su desarrollo desde los años 50 hasta la actualidad ha sido constante y actualmente puede considerarse como el método de análisis numérico más extendido en la mayoría de los ámbitos de la ingeniería. En realidad dicho modelo es una idealización matemática de un sistema real cuyo comportamiento deberá, al menos, de ser intuido, pues de otro modo la modelización puede ser muy laboriosa o imposible. El término elemento finito resume el concepto básico del método: la transformación de un sistema físico, con un número infinito de incógnitas, a uno que tiene un número finito de incógnitas relacionadas entre sí por elementos de un tamaño finito. Un nudo es una localización en el espacio de un punto en el que se considera que existen ciertos grados de libertad (desplazamientos, potenciales, temperaturas, etc.) y acciones (fuerzas, corrientes, condiciones de contorno…) del sistema físico. Un elemento es una representación matemática matricial, denominada matriz de rigidez, de la interacción entre los grados de libertad de un conjunto de nudos. Los elementos pueden ser puntuales, lineales, superficiales, volumétricos, … y pueden estar en espacios bidimensionales o tridimensionales. Cada nudo tiene ciertos grados de libertad (GDL´s) que caracterizan la respuesta del campo (las ecuaciones diferenciales que representan el problema que se quiere resolver). Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 100 En un sistema estructural, el conjunto de grados de libertad incluye tres traslaciones y tres rotaciones. La información se transmite de un elemento a otro por los nodos comunes. Los grados de libertad en un nudo dependen de los elementos que se conecten en dicho nudo. Las condiciones de contorno estructurales incluyen: -Restricciones de desplazamientos -Fuerzas aplicadas en nudos -Presiones sobre los elementos -Temperaturas en nudos -Cargas volumétricas o de inercia (gravedad). Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 101 7.6. ANEXO VI. MATERIALES ELASTOPLÁSTCOS. A la hora de realizar este tipo de estudios, es imprescindible conocer el comportamiento de los materiales cuando son solicitados por cargas. En la teoría de la Elasticidad se considera que al menos en un pequeño intervalo las tensiones son proporcionales a las deformaciones. Cuando esto ocurre se dice que el cuerpo se encuentra en el campo elástico. Cuando las cargas sobrepasan este campo el cuerpo se comporta en forma plástica dando como resultado relaciones no lineales entre la tensión y la deformación. TEORÍA CLÁSICA DE LA PLASTICIDAD. La principal característica del comportamiento plástico de los sólidos es que la relación entre las tensiones y las deformaciones no es única como lo es en el caso de la elasticidad lineal y no lineal. Como consecuencia del pasaje de un estado elástico a uno plástico se observan deformaciones remanentes en el material una vez retiradas las cargas o disipadas las tensiones. Para diferenciar el comportamiento entre dos materiales, uno con características elásticas no lineal y el otro elastoplástico, debe estudiarse el proceso de descarga ya que el material elástico no lineal seguirá la misma curva de carga mientras que si el material se encuentra en el campo plástico seguirá una curva diferente que depende de la historia. Estudio de nuevos diseños para mejorar los sistemas de protección para motoristas Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza 102