Aplicações de crashworthiness utilizando o LS-DYNA
A segurança é um dos fatores chave na indústria automotiva. Durante o desenvolvimento de novos componentes e produtos inovadores é essencial colocar como prioridade a segurança de condutores, passageiros e pedestres. Por isso, o conceito de crashworthiness é tão importante para a indústria.
Veja como a tecnologia de simulação computacional, em especial o software Ansys LS-DYNA, tem se tornado indispensável para os estudos de colisão e segurança.
O que é crashworthiness?
É um conceito essencial para analisar a segurança de carros, aeronaves e veículos em geral e se refere à capacidade das estruturas de proteger os passageiros durante um impacto.
Para avaliar a resistência ao impacto, podem ser analisados vários critérios como, por exemplo, os padrões de deformação da estrutura do veículo, a aceleração experimentada pelo veículo durante o impacto, e a probabilidade de dano previsto por modelos do corpo humano.
Aplicações de Ansys LS-DYNA em testes de impacto
LS-DYNA é um solver para análise estrutural por elementos finitos através do método explícito. Este método é utilizado para resolver problemas em regime transiente que envolvam grandes não-linearidades, sejam elas geométricas, de contato, grandes deformações ou complexas relações constitutivas de materiais.
As características das simulações que envolvem cálculo explícito contemplam geralmente durações de intervalo de tempo muito pequenos, tipicamente menores que 1s. Modelos de falha para representar dano permanente ou falha completa do material em análise são facilmente implementáveis.
Para a indústria automotiva, o LS-DYNA pode prever com precisão o comportamento de um carro em uma colisão e os efeitos da colisão nos ocupantes. Desse modo, as empresas automotivas e seus fornecedores podem testar e otimizar seus protótipos virtuais para que ocorra a aprovação do projeto no primeiro ensaio físico de certificação, economizando tempo e despesas.
Com o LS-DYNA, podem ser simuladas várias situações complexas da engenharia, tais como processos de conformação mecânica (figura 1) e contatos altamente não- lineares (figura 2).
Figura 1 – Metal Forming, processo de conformação mecânica de um perfil estrutural.
Figura 2 – Crash Box Test, contatos não-lineares e situações de Self-Contact.
Modelos de materiais complexos são possíveis de implementar, bem como o estudo de propagação de ondas em estruturas (figura 3).
Figura 3 – Shock-Wave, propagação de ondas em uma válvula automotiva após impacto com o bloco de um motor.
Drop Tests com equipamentos eletrônicos ou da linha branca (figura 4) e Crash Tests (figura 5), entre outras, também são possíveis aplicações para o LS-DYNA.
Figura 4 – Drop Test de um fogão doméstico.
Figura 5 – Crash Test do Dodge Neon.
Para entender melhor o assunto, assista ao webinar Drop test e o impacto positivo no desenvolvimento de produto por simulação e veja como realizar análises de dinâmica explícita utilizando o software Ansys LS-DYNA.
Body Block Test
A indústria da mobilidade, por sinal, é a maior cliente do software, que possui ferramentas específicas para reproduzir matematicamente impactos envolvendo dummies, air bags, cintos de segurança, muros rígidos, etc. Neste artigo será apresentado um ensaio conhecido como Body Block Test (figura 6), realizado com base no anexo 4 da norma ECE-R12.
Figura 6 – Ensaio experimental de impacto de torso (Body Block Test).
Para este trabalho foram modelados um volante automotivo e um body block, utilizando os recursos de modelamento geométrico do Design Modeler, módulo do Ansys Workbench. Em seguida, foi gerado um modelo em elementos finitos utilizando o Ansys-STR (Ansys Explicit Structural) no seu módulo AES-LS (Ansys Explicit Structural – LS-DYNA Export).
Foi então gerada uma malha exclusivamente composta por elementos hexaédricos, composta por 32.069 nós e 19.848 (figura 7). Após a solução do modelo no AES-LS, o usuário deve executar o Keyword File (.k) gerado no LS-DYNA Solver.
O pós-processamento pode ser realizado com o LS-PrePost (ferramenta fornecida gratuitamente para usuários LS-DYNA) ou ainda, caso seja alterado o formato dos arquivos de saída (*DATABASE_FORMAT), é possível fazer o pósprocessamento no Ansys LS-DYNA.
Se você quer aprender a utilizar o Ansys LS-DYNA, conheça o curso introdutório do Instituto ESSS.
Figura 7 – Modelo em elementos finitos do conjunto no AES-LS (Ansys Explicit Structural – LS-DYNA Export).
Figura 8 – Materiais utilizados no volante.
As propriedades dos materiais do volante (curvas tensão X deformação verdadeiras) foram retiradas de literatura especializada. O modelo utilizado para representá-los foi o de encruamento linear (ou modelo elasto-plástico bilinear), utilizando a opção de material *MAT_MODIFIED_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY. Um resumo das propriedades dos materiais se encontra nas figuras 9 e 10.
Figura 9 – Propriedades dos materiais.
Figura 10 – Curvas tensão X deformação dos materiais.
Condições para uma modelagem mais realista
Testes iniciais indicaram que as tensões equivalentes de von Mises nos componentes do volante ultrapassaram o limite de resistência dos materiais. Desejando-se modelar com mais realismo o problema, se fez necessário adicionar através de Commands Snippets no AES-LS, o comando *MAT_ADD_EROSION. O critério utilizado para o Erosion foi a deformação máxima principal quando esta atinge o valor da deformação de ruptura, tanto para o aço bem como para o alumínio.
Em seguida, foram definidas as condições de contato entre as partes no AES-LS. Entre os componentes do volante, foram utilizados contatos Bonded com Behavior Symmetric de modo a restringir os movimentos, tanto na direção normal como na direção tangencial entre as superfícies. Esse tipo de contato gera o comando *CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE no Keyword File.
Para modelar o contato entre o volante e o body block, foi utilizada o contato do tipo Body Interaction no AES-LS com coeficiente de atrito estático (μe) igual a 0,2 e coeficiente de atrito dinâmico (μd) igual a 0,15. Esse tipo de contato é gerado com o comando *CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE.
Todos os nós da seção da coluna (eixo do volante) tiveram seus graus de liberdade restringidos nas 3 direções, condição essa imposta pelo Fixed Support. A figura 11 apresenta as condições de contorno do modelo.
Figura 11 – Condições de contorno do modelo.
O body block, que possui uma massa de 32,76 kg, foi então arremessado contra o volante a uma velocidade inicial de 24,1 km/h (6694 mm/s) (dados da norma ECER12). A velocidade foi aplicada no body block com o comando Initial Velocity no Initial Conditions. O tempo de duração do fenômeno foi de 100 ms. Após a configuração do modelo numérico e a solução do mesmo no AES-LS, foi então executado o Keyword File gerado no LS-DYNA Solver.
Ao abrir no LS-PrePost o arquivo Binary Plot (.d3plot) fornecido pelo LS-DYNA no momento da solução, o usuário pode acompanhar o comportamento do modelo durante a análise, bem como no final da mesma. Podem ser gerados gráficos de resposta (força de reação, tensões, deformações, deslocamentos, velocidade, aceleração,etc.) no domínio do tempo.
Também é possível a plotagem das distribuições de tensão e deformação em diversos instantes. Na figura 12 é mostrado em escala real de deformação o comportamento do volante durante e após o impacto.
Figura 12 – Modos de deformação em 30 ms e em 100 ms da esquerda para a direita.
O LS-PrePost possibilita a plotagem da força axial de reação na coluna do volante (restrição causada pelo Fixed Support) em função do tempo (figuras 13 e 14). Esta curva é medida em laboratório durante Body Block Tests, através da instrumentação da coluna de direção, que contém uma célula de carga.
Ainda no LSPrePost, utililizou-se um recurso de filtragem de sinal nos valores originalmente obtidos para a curva de reação (figura 13), conseguindo-se assim a eliminação de ruídos indesejados.
Figura 13 – Curva da força axial de reação no volante (sem fltragem).
Figura 14 – Curva da força axial de reação no volante (com filtragem).
A curva obtida para a força de reação utilizando o LSDYNA apresenta um comportamento muito semelhante a curvas obtidas experimentalmente. Com o intuito de se verificar a energia do sistema, plotou-se em um mesmo gráfico a energia cinética do body block e a energia interna do volante (figura 15). Observe que o valor da energia cinética no início da curva está próximo do cálculo analítico abaixo:
Figura 15 – Energia do sistema (utilizando novamente o recurso de filtragem).
Na figura 16 pode-se observar a distribuição da tensão equivalente de von Mises ao longo do volante durante o tempo igual a 30 ms. A legenda indica o valor máximo de 345MPa (limite de escoamento para o alumínio 2024T6), observe que a cor cinza representa o que passou do limite de escoamento, dessa forma, essas regiões sofreram deformações irreversíveis.
As figuras 16 e 17 mostram que elementos foram erodidos devido ao critério de falha estabelecido. A figura 17 apresenta o alívio devido à erosão de três elementos.
Figura 16 – Tensão equivalente de von-Mises no volante (kPa).
Figura 17 – Deformação Máxima Principal no volante, instante 20,7 ms.
Este blog post demonstrou uma aplicação de crashworthiness que possui grande importância para a indústria da mobilidade usando o LS-DYNA, proporcionando ao usuário resultados com qualidade, redução do tempo de projeto e diminuição de custos com ensaios em laboratório.
Referências:
- Dr.-Ing. Hörmann, M., Dipl.-Ing. Neumayer, D., Drop test simulation of a cooker including foam packaging and prestressed plastic foil wrapping, 24th CADFEM Users’ Meeting, 25th-27th October 2006.
- FHWA/NHTSA National Crash Analysis Center, Finite Element Model of Dodge Neon, version 7, 1996.
- ECE-R12, Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles with Regard to the Protection of the Driver Against the Steering Mechanism in the Event of Impact.
- Kodwani, R. K., Yang, Z., Raman, S., Steering Wheel Impact Test Simulation, 11th-13th August 2005.
- Livermore Software Technology Corporation, “LS-DYNA Keyword User’s Manual”, Version 971, May 2007.
