Una simulación de choque es una recreación virtual de una prueba de choque destructiva de un automóvil o un sistema de barandillas de protección de una carretera mediante una simulación por computadora para examinar el nivel de seguridad del automóvil y sus ocupantes. Los fabricantes de automóviles utilizan simulaciones de choque durante el análisis de ingeniería asistida por computadora (CAE) para determinar la resistencia a los choques en el proceso de diseño asistido por computadora (CAD) de modelado de automóviles nuevos. Durante una simulación de choque, la energía cinética , o energía de movimiento, que tiene un vehículo antes del impacto se transforma en energía de deformación , principalmente por deformación plástica ( plasticidad ) del material de la carrocería del automóvil ( Carrocería en blanco ), al final del impacto.
Los datos obtenidos en una simulación de colisión indican la capacidad de la carrocería o de la estructura de la barandilla de protección para proteger a los ocupantes del vehículo durante una colisión (y también a los peatones atropellados por un automóvil) contra lesiones . Los resultados importantes son las deformaciones (por ejemplo, intrusiones del volante ) del espacio de los ocupantes (conductor, pasajeros ) y las desaceleraciones (por ejemplo, aceleración de la cabeza) que sienten, que deben estar por debajo de los valores límite fijados en las regulaciones legales de seguridad de los automóviles . Para modelar las pruebas de choque reales, las simulaciones de choque actuales incluyen modelos virtuales de maniquíes de prueba de choque y de dispositivos de seguridad pasiva ( cinturones de seguridad , airbags , tableros de instrumentos con absorción de impactos , etc.). Las pruebas de carril guía evalúan la desaceleración del vehículo y el potencial de vuelco, así como la penetración de la barrera por los vehículos.
En los años 1970 se hicieron intentos de simular eventos de accidentes automovilísticos con sistemas de masa-resorte no lineales después de la calibración , que requieren como entrada los resultados de pruebas de laboratorio destructivas físicas, necesarias para determinar el comportamiento de aplastamiento mecánico de cada componente de resorte del sistema modelado. Sin embargo, las simulaciones de " primer principio ", como los modelos de elementos finitos más elaborados, solo necesitan la definición de la geometría estructural y las propiedades básicas del material ( reología del acero de la carrocería, vidrio, piezas de plástico, etc.) como entrada para generar el modelo numérico.
Los orígenes de la simulación de accidentes de tráfico por ordenador a partir de principios industriales se encuentran en aplicaciones de defensa militar , espacio exterior y plantas de energía nuclear civiles . Tras la presentación de una simulación del choque accidental de un avión de combate militar contra una planta de energía nuclear el 30 de mayo de 1978 por parte del Grupo ESI en una reunión organizada por la Asociación Alemana de Ingenieros (VDI) en Stuttgart , los fabricantes de automóviles se dieron cuenta de la posibilidad de utilizar esta tecnología para la simulación de pruebas de choques destructivos de automóviles (Haug 1981).
En los años siguientes, los fabricantes de automóviles alemanes produjeron estudios de simulación de choques más complejos, simulando el comportamiento de choque de componentes individuales de la carrocería del automóvil, conjuntos de componentes y carrocerías de cuarto y medio automóvil en blanco ( BIW ). Estos experimentos culminaron en un proyecto conjunto de Forschungsgemeinschaft Automobil-Technik (FAT), un conglomerado de los siete fabricantes de automóviles alemanes ( Audi , BMW , Ford , Mercedes-Benz , Opel , Porsche y Volkswagen ), que probó la aplicabilidad de dos códigos emergentes de simulación de choques comerciales. Estos códigos de simulación recrearon un impacto frontal de una estructura completa de un automóvil de pasajeros (Haug 1986) y se ejecutaron hasta su finalización en una computadora durante la noche. Ahora que el tiempo de respuesta entre dos envíos de trabajos consecutivos (ejecuciones de computadora) no excedía de un día, los ingenieros pudieron comprender mejor el comportamiento de choque y realizar mejoras eficientes y progresivas en la estructura de la carrocería del automóvil analizada. El software de ingeniería asistida por computadora (CAE) se convirtió últimamente en una norma en la simulación de pruebas de choque. La combinación de aprendizaje automático y herramientas CAE permitió una aceleración mucho mejor del software de simulación. Los ingenieros utilizaron ML para predecir:
Las simulaciones de colisiones se utilizan para investigar la seguridad de los ocupantes del vehículo durante los impactos en la estructura frontal del vehículo en una " colisión frontal " o "impacto", la estructura lateral del vehículo en una " colisión lateral " o "impacto lateral", la estructura trasera del vehículo en una " colisión trasera " o "impacto trasero", y la estructura del techo del vehículo cuando vuelca durante un " vuelco ". Las simulaciones de colisiones también se pueden utilizar para evaluar las lesiones de los peatones atropellados por un vehículo.
Una simulación de choque produce resultados sin necesidad de realizar pruebas destructivas reales de un nuevo modelo de coche. De esta forma, las pruebas se pueden realizar de forma rápida y económica en un ordenador, lo que permite optimizar el diseño antes de fabricar un prototipo real del coche. Mediante una simulación, se pueden resolver problemas antes de invertir tiempo y dinero en una prueba de choque real. La gran flexibilidad de la salida impresa y la visualización gráfica permite a los diseñadores resolver algunos problemas que habrían sido casi imposibles sin la ayuda de un ordenador.
Un gran número de simulaciones de accidentes utilizan un método de análisis llamado método de elementos finitos . Los problemas complejos se resuelven dividiendo una superficie en un número grande pero finito de elementos y determinando el movimiento de estos elementos durante períodos de tiempo muy pequeños. Otro enfoque para las simulaciones de accidentes se realiza mediante la aplicación del método de macroelementos. La diferencia entre las dos metodologías mencionadas anteriormente es que la estructura en el caso del método de macroelementos consta de un número menor de elementos. El algoritmo de cálculo de la deformación de la estructura se basa en datos experimentales en lugar de calcularse a partir de ecuaciones diferenciales parciales.
Pam-Crash inició la simulación de colisiones y, junto con LS-DYNA, es un paquete de software que se utiliza ampliamente para la aplicación del método de elementos finitos. Este método permite modelar detalladamente una estructura, pero la desventaja radica en los altos requisitos de la unidad de procesamiento y el tiempo de cálculo. Visual Crash Studio utiliza la metodología de elementos macro. En comparación con FEM, tiene algunas limitaciones de modelado y condiciones de contorno, pero su aplicación no requiere computadoras avanzadas y el tiempo de cálculo es incomparablemente menor. Los dos métodos presentados se complementan entre sí. El método de elementos macro es útil en la etapa inicial del proceso de diseño de la estructura, mientras que el método de elementos finitos funciona bien en sus etapas finales.
En una simulación de choque típica, la estructura de la carrocería del vehículo se analiza utilizando discretización espacial , es decir, dividiendo el movimiento continuo de la carrocería en tiempo real en cambios más pequeños en la posición a lo largo de pequeños pasos de tiempo discretos. La discretización implica subdividir la superficie de las delgadas piezas de chapa metálica que la constituyen en un gran número (que se acercaba al millón en 2006) de regiones cuadriláteras o triangulares, cada una de las cuales abarca el área entre los "nodos" a los que se fijan sus esquinas. Cada elemento tiene masa, que se distribuye como masas concentradas y como momentos de inercia de masa a sus nodos de conexión. Cada nodo tiene 6 grados de libertad cinemáticos , es decir, un nodo puede moverse en tres direcciones lineales bajo traslación y puede girar sobre tres ejes independientes. Las coordenadas espaciales ( x ), el desplazamiento ( u ), la velocidad ( v ) y la aceleración ( a ) de cada nodo se expresan principalmente en un sistema de coordenadas cartesianas rectangulares tridimensionales con ejes X , Y y Z .
Si los nodos se mueven durante una simulación de choque, los elementos conectados se mueven, se estiran y se doblan con sus nodos, lo que hace que impartan fuerzas y momentos a sus conexiones nodales. Las fuerzas y momentos en los nodos corresponden a las fuerzas y momentos de inercia, causados por sus aceleraciones traslacionales (lineales) y angulares y a las fuerzas y momentos transmitidos por la resistencia del material estructural de los elementos conectados a medida que se deforman. A veces, se aplican cargas estructurales externas adicionales , como cargas de gravedad del peso propio de las piezas o cargas añadidas de masas externas.
Las fuerzas y los momentos de todos los nodos se recopilan en un vector columna (o matriz columna), y las ecuaciones de movimiento dependientes del tiempo (en equilibrio dinámico) se pueden escribir de la siguiente manera.
donde el vector (masa multiplicada por el vector de aceleración) recoge las fuerzas de inercia en los nodos, recoge las cargas nodales externas y recoge las fuerzas de resistencia internas de la deformación del material. M es una matriz diagonal de las masas nodales. Cada vector ( u , v , a , F , etc.) tiene una dimensión 6 veces mayor que el número total de nodos en el modelo de choque (aproximadamente 6 millones de " grados de libertad " por cada 1 millón de "nodos" en modelos de elementos finitos de capa delgada 3-D).
Una simulación de choque también utiliza la discretización temporal para separar los cambios continuos en el tiempo en segmentos muy pequeños y utilizables. Las ecuaciones dinámicas de movimiento se mantienen en todo momento durante una simulación de choque y deben integrarse en el tiempo, t , comenzando desde una condición inicial en el tiempo cero, que es justo antes del choque. De acuerdo con el método explícito de integración temporal de diferencias finitas utilizado por la mayoría de los códigos de choque, las aceleraciones, velocidades y desplazamientos del cuerpo están relacionados por las siguientes ecuaciones.
En estas ecuaciones, los subíndices n ±1/2, n , n +1 denotan tiempos pasados, presentes y futuros, t , en intervalos de medio tiempo y de tiempo completo con pasos de tiempo y , respectivamente.
El sistema de ecuaciones lineales anterior se resuelve para las aceleraciones, , las velocidades, , y los desplazamientos, , en cada punto discreto en el tiempo, t , durante la duración del choque . Esta solución es trivial, ya que la matriz de masas es diagonal. El tiempo de la computadora es proporcional al número de elementos finitos y al número de pasos de tiempo de solución. El paso de tiempo de solución estable, , está limitado para la estabilidad numérica , como se expresa mediante la condición de Courant–Friedrichs–Lewy (CFL), que establece que "en cualquier simulación de computadora de marcha temporal, el paso de tiempo debe ser menor que el tiempo para que ocurra alguna acción significativa, y preferiblemente considerablemente menor". En una simulación de choque, las acciones significativas más rápidas son las señales acústicas que viajan dentro del material estructural.
La velocidad de la onda de tensión elástica sólida asciende a
donde es el módulo elástico inicial (antes de la deformación plástica ) del material y es la densidad de masa. Por lo tanto, el paso de tiempo estable más grande para un material dado es
donde es la distancia más pequeña entre dos nodos del modelo numérico de simulación de choque.
Dado que esta distancia puede cambiar durante una simulación, el paso de tiempo estable cambia y debe actualizarse continuamente a medida que avanza la solución en el tiempo. Cuando se utiliza acero , el valor típico del paso de tiempo estable es de aproximadamente un microsegundo cuando la distancia de nodo discreto más pequeña en la malla del modelo de elementos finitos es de aproximadamente 5 milímetros. Se necesitan entonces más de 100.000 intervalos de tiempo para resolver un evento de choque que dura una décima de segundo. Esta cifra se supera en muchos modelos de choques industriales que exigen solucionadores de choques optimizados con características de computación de alto rendimiento ( HPC ), como vectorización y computación paralela .
