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Máster en Sistemas Mecánicos Posgrado en Ingeniería Mecánica y de Materiales Trabajo Fin de Máster Absorbedor de Impactos Estudio Comparativo Santiago Tornos Tejedor Dirigido por Jesús Cuartero Salafranca Septiembre 2010 1/2 Absorbedor de Impactos – Estudio Comparativo RESUMEN El presente trabajo tiene como objeto el estudio comparativo teórico de un absorbedor de impactos en acero y duraluminio en diferentes configuraciones, bajo simulación informática mediante el software de elementos finitos Patran, y Abaqus, en su módulo explicit. A partir de un absorbedor de impactos de referencia (un cilindro hueco), se han planteado una serie de mejoras del mismo en su configuración, todas ellas en acero y duraluminio; - Cilindro principal con dos cilindros auxiliares concéntricos con disminución progresiva de diámetro. - Cilindro principal con cinco cilindros auxiliares interiores no concéntricos, con el mismo diámetro. - Cilindro principal con cinco cilindros auxiliares no concéntricos más un sexto cilindro auxiliar concéntrico con el principal, interiores, teniendo todos los cilindros auxiliares el mismo diámetro. - Cilindro principal con recubrimiento auxiliar helicoidal simple. - Cilindro principal con recubrimiento auxiliar helicoidal doble. Todas las configuraciones, independientemente de sus geometrías, elementos auxiliares, y material utilizado, presentan el mismo peso. Para comprobar las posibles mejoras de la configuración, se procederá a realizar un estudio comparativo de la energía cinética absorbida por los mismos tras impacto con un cuerpo rígido. 1. Geometría y Mallado en Patran 5 1.1. Geometría 1 (Absorbedor de Referencia) 5 1.2. Geometría 2 6 1.3. Geometría 3 7 1.4. Geometría 4 8 1.5. Geometría 5 9 1.6. Geometría 6 10 2. Condiciones de Contorno y Cargas 11 3. Resultados en Abaqus 12 4. Conclusiones 15 Absorbedor de Impactos – Estudio Comparativo Santiago Tornos Tejedor – Trabajo Fin de Máster - 5 1. Geometría y Mallado en Patran Para una mejor explicación de las geometrías utilizadas y su construcción, consultar el apartado 1. Geometría del documento adjunto 2/2 – Anexos. Para una mejor explicación de los espesores utilizados para mantener siempre el mismo peso de material en todas las configuraciones, consultar el apartado 2. Cálculos justificativos de espesores del documento adjunto 2/2 – Anexos. 1.1. Geometría 1 (Absorbedor de referencia) Cilindro hueco (Figuras 1.1.1. y 1.1.2.); Fig. 1.1.1. Geometría 1 – Vista General Fig. 1.1.2. Geometría 1 – Vista Frontal L = 0,5 m R= 0,075 m eACERO = 0,0025 m eDURALUMINIO = 0,00418 m Número de elementos: 14401 N úmero de Nodos: 14524 Absorbedor de Impactos – Estudio Comparativo Santiago Tornos Tejedor – Trabajo Fin de Máster - 6 1.2. Geometría 2 Cilindro hueco con dos cilindros auxiliares concéntricos con disminución progresiva de diámetro. Todos los cilindros tienen el mismo diámetro (Figuras 1.2.1. y 1.2.2.); Fig. 1.2.1. Geometría 2 – Vista General Fig. 1.2.2. Geometría 2 – Vista Frontal L = 0,5 m R1 = 0,075 m R2 = 0,05 m R3 = 0,025 m eACERO = 0,00144 m eDURALUMINIO = 0,002417 m Número de elementos: 28801 Número de Nodos: 29044 Absorbedor de Impactos – Estudio Comparativo Santiago Tornos Tejedor – Trabajo Fin de Máster - 7 1.3. Geometría 3 Cilindro hueco con cinco cilindros auxiliares interiores no concéntricos, teniendo todos los cilindros auxiliares el mismo diámetro (Figuras 1.3.1. y 1.3.2.); Fig. 1.3.2. Geometría 3 – Vista Frontal L = 0,5 m R1 = 0,075 m R2 = 0,01875 m Distancia = 0.0375 m eACERO = 0,001 m eDURALUMINIO = 0,001709 m Número de elementos: 38401 Número de Nodos: 38724 Fig. 1.3.1. Geometría 3 – Vista General Absorbedor de Impactos – Estudio Comparativo Santiago Tornos Tejedor – Trabajo Fin de Máster - 14 - Energía Absorbida y Tiempo de Absorción (Tablas 3.1. y 3.2.); Acero Energía [J] Tiempo[s] 1 63429,1 0,00541 2 63429,1 0,0054 3 66827,5 0,00611 4 66659,5 0,00618 5 63281,5 0,00567 6 63285,6 0,00563 Duraluminio Energía [J] Tiempo[s] 1 56661,7 0,00314 2 63065,4 0,00327 3 66692,8 0,00367 4 66887,4 0,00462 5 50209,4 0,00216 6 54629,3 0,00193 Tabla 3.1. Energía Acero Tabla 3.2. Energía Duraluminio Absorbedor de Impactos – Estudio Comparativo Santiago Tornos Tejedor – Trabajo Fin de Máster - 15 4. Conclusiones A pesar de las variaciones registradas respecto a la energía absorbida, debidas a los propios procesos de análisis del software Abaqus, todas las configuraciones son capaces de detener el impacto, absorbiendo toda la energía cinética de la placa. Teniendo en cuenta su eficacia, sólo nos queda comparar su eficiencia para determinar la mejor configuración posible, esto es, el tiempo de absorción. - Todas las geometrías objeto de estudio son capaces de absorber la energía cinética de la placa. - La deformación longitudinal en el caso del Acero es, en todos los casos, significativamente superior a la del Duraluminio. - El tiempo empleado en la absorción total de energía cinética es, en todos los casos, significativamente inferior en el caso del Duraluminio. - A pesar de estas diferencias, la progresión del modelo de comportamiento es muy similar en las Geometría 1 a 4 (cilindro hueco y cilindros auxiliares internos) entre Acero y Duraluminio. - La Geometría 2 (cilindros auxiliares concéntricos) no presenta variaciones de comportamiento con respecto a la Geometría 1 (cilindro hueco), en Acero. - La Geometría 2 (cilindros auxiliares concéntricos) no presenta variaciones con respecto a la Geometría 1 (cilindro hueco), en Duraluminio. - Las Geometrías 3 y 4 (cilindros interiores no concéntricos) no presentan variaciones de comportamiento, en Acero. - Las Geometrías 3 y 4 (cilindros interiores no concéntricos) presentan una deformación longitudinal mucho mayor, y detienen la placa en mayor tiempo, que la Geometría 1 (cilindro hueco). - La Geometría 3 (cuatro cilindros interiores no concéntricos) presenta una deformación longitudinal mucho menor, y es capaz de detener la placa en menos tiempo, que la Geometría 4 (cuatro cilindros interiores no concéntricos más uno central concéntrico), en Duraluminio. - La Geometría 3 (cuatro cilindros interiores no concéntricos) presenta una deformación ligeramente mayor, aunque detiene la placa en aproximadamente el mismo tiempo, que la Geometría 1 (cilindro hueco) en Duraluminio. - La Geometría 4 (cuatro cilindros interiores no concéntricos más uno central concéntrico) presenta una deformación longitudinal mucho mayor, y detienen la placa en mayor tiempo, que la Geometría 1 (cilindro hueco) en Duraluminio. - La Geometría 5 (hélice simple) presenta la mayor deformación longitudinal, y el mayor tiempo de detención de la placa, en Acero. - La Geometría 6 (hélice doble) presenta una deformación longitudinal muy similar a la de la Geometría 1 (cilindro hueco), aunque en un tiempo mucho mayor, en Acero. Absorbedor de Impactos – Estudio Comparativo Santiago Tornos Tejedor – Trabajo Fin de Máster - 16 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 123456 Tiempo [s] Geometría Acero Duraluminio - La Geometría 5 (hélice simple) se comporta excepcionalmente bien, presentando una muy baja deformación longitudinal y muy poco tiempo de absorción, a pesar del colapso de su estructura, en Duraluminio. - La Geometría 6 (hélice doble) se comporta extraordinariamente bien, presentando la más baja deformación longitudinal y el menor tiempo de absorción, en Duraluminio. En términos generales, el Duraluminio presenta un comportamiento muy superior al Acero. Incluso el peor modelo de Duraluminio es superior al peor de Acero (Gráfica 4.1.). La Geometría 2 (cilindros auxiliares concéntricos) no presenta excesivas diferencias de comportamiento respecto a la Geometría 1 (cilindro hueco). A pesar de contar con el mismo peso de material, teniendo en cuenta el coste adicional de su fabricación, se desaconseja este modelo, en Acero. Las Geometrías 3 y 4 (cilindros interiores no concéntricos) presentan un comportamiento peor, con una mayor deformación y un muchísimo mayor tiempo empleado en la absorción de la energía. Además, si tenemos en cuenta su coste adicional de fabricación, se desaconseja este modelo, en Acero. Las Geometrías 5 y 6 (hélices) presentan un comportamiento peor, con una mayor deformación y un mayor tiempo empleado en la absorción de la energía. Además, si tenemos en cuenta su coste adicional de fabricación, se desaconseja este modelo, en Acero. Sin embargo, las Geometrías 5 y 6 (hélices) en Duraluminio presentan el mejor comportamiento, con una deformación mínima en el menor tiempo de absorción (sobre todo la Geometría 6 de doble hélice). A pesar del mayor coste de fabricación, nos encontramos con un modelo muy acertado. Gráfica 4.1. Comparativa Tiempo de Absorción: Acero vs Duraluminio