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El camino de la menor resistencia a través de la simulación electromagnética

Electromagnetismo

Este post fue inspirado en la última edición de la revista ANSYS Advantage Magazine, usted puede ver la materia completa aquí.

Cuando un rayo alcanza un automóvil, la estructura metálica proporciona el camino de menor impedancia al suelo, protegiendo a los ocupantes del vehículo contra lesiones.

Pero a medida que el rayo pasa por la estructura o por los sistemas eléctricos del vehículo, puede dañar componentes sensibles o incluso derretir juntas de soldadura.

La cantidad de electrónicos en los vehículos está aumentando, por lo tanto la protección contra rayos se está volviendo cada vez más importante.

Con soporte de ESSS, socio del canal ANSYS en América del Sur, Fiat Chrysler Automobiles, utiliza el software de simulación de campo electromagnético ANSYS para modelar descargas eléctricas y prever su impacto en la electrónica de los vehículos. De esta forma futuros vehículos puedan ser diseñados para ser más resistentes a los daños.

RELÁMPAGOS Y AUTOMÓVILES

La mayoría de los veces, un rayo, es una descarga eléctrica entre el fondo de las nubes cargados negativamente y la superficie del suelo cargada positivamente.

Cuando se acumulan cargas negativas suficientes sobre una nube, un flujo de carga negativa, llamado de líder escalonado, se dirige hacia la Tierra.

Las cargas positivas en la tierra son atraídas hacia el líder escalonado, por lo que fluyen hacia arriba desde el suelo. Cuando los líderes ascendentes y descendientes se encuentran, la corriente eléctrica resultante es vista como un resplandor luminoso.

Normalmente los relámpagos fluyen a través de estructuras conductoras que poseen una alta densidad de carga, como puntas y esquinas pues buscan el camino de menor impedancia eléctrica.

Esto explica por qué los para-rayos generalmente son antenas de metal puntiagudas y por qué las antenas automovilísticas son un blanco de iluminación común.

El rayo que fluye sobre el cuerpo del vehículo puede inducir un campo eléctrico que genera tensiones y corrientes en el conjunto de cables que viajan a las unidades de control electrónico (ECUS). Esto podría perjudicar una o más de las decenas de ECUS que funcionan como el cerebro del automóvil.

Los campos eléctricos generados dentro de un automóvil por un radio son altamente dependientes de la geometría y de la conductividad del exterior del vehículo.

En el caso de una esfera perfecta, los electrones que forman la carga se esparcirán uniformemente por la superficie externa, cancelándose el uno al otro con el resultado de que ninguna carga será generada dentro de la esfera.

En un vehículo con geometrías más complejas y diferencias en la conductividad de componentes, como neumáticos y parabrisas, campos eléctricos internos significativos pueden ser generados; determinar estos campos es un desafío.

La prueba física está lejos de ser una solución ideal, debido a que hay pocas instalaciones en el mundo capaces de simular un relámpago.

El costo de usar esas instalaciones llega a ser de millones de dólares y exige la construcción –y la posible destrucción- de un prototipo de vehículo que cuesta cientos de miles de dólares.

DETERMINANDO EL POSIBLE LOCAL DE LA CAÍDA DE UN RELÁMPAGO

Por primera vez, los ingenieros de FCA y de ESSS, utilizaron el solucionador electrostático del ANSYS Maxwell para calcular la probabilidad de que los rayos cayeran en diferentes áreas del vehículo.

Ellos generaron un campo eléctrico en todo el dominio de la solución, colocando una carga de 100 culombios en la superficie superior del modelo y 0 culombios en la superficie inferior. Cuando solucionaron el modelo sin un vehículo, la carga fue distribuida uniformemente por el dominio de la solución.

A continuación, los ingenieros utilizaron un modelo CAD de un Fiat Mobi y aplicaron datos de conductividad eléctrica a todos los componentes basados en datos proporcionados por proveedores de componentes y datos publicados.

Ellos crearon conexiones de baja impedancia entre componentes de metal, agregaron ese modelo al dominio de la solución y repitieron la simulación de Maxwell.

El modelo del vehículo hizo que la distribución de carga fuera distorsionada, y campos fuertes eran evidentes en puntas afiladas y puntos elevados del vehículo.
La probabilidad de que un rayo alcance cualquier punto específico en el modelo es proporcional a su carga eléctrica. Los ingenieros de FCA y de ESSS confirmaron que es la antena del vehículo el área más probable donde caiga el rayo.

DETERMINANDO LOS EFECTOS DE LOS RELÁMPAGOS

Los ingenieros entonces utilizaron el ANSYS HFSS para crear una simulación electromagnética transitoria, de rayos, alcanzando la antena del vehículo.

Con base en las mediciones de rayos realizados en la Estación Morro do Cachimbo en Brasil, aplicaron una descarga de pico de 45 kiloamp en el vehículo. También crearon un camino de retorno de baja impedancia del suelo hasta la nube.

Los resultados de la simulación mostraron las corrientes eléctricas y tensiones, causadas por los rayos, en el exterior del vehículo, y revelaron el camino por el cual esas cargas fluyen hacia el suelo.

La simulación también mostró los campos eléctricos y magnéticos creados por esas corrientes y las corrientes resultantes en los componentes del vehículo, incluyendo los cableados eléctricos.

Como era esperado, las mayores corrientes fueron inducidas en características geométricas como puntas y bordes.

Sin embargo, los efectos de la geometría y la conductividad del exterior del vehículo en las tensiones y corrientes en cableados eléctricos exigieron la simulación electromagnética transitoria en 3D para desentrañar.

MEJORANDO EL DISEÑO DEL VEHÍCULO

Como ellos podrían simular los efectos de un rayo, los ingenieros pudieron investigar el potencial de alteraciones en el proyecto para reducir los daños al vehículo.

Por ejemplo, ellos planean determinar si el aumento de la conductividad de componentes de alta resistencia, como neumáticos y parabrisas, reduciría los campos eléctricos dentro del vehículo.

La FCA pronto simulará componentes con diferentes conductividades y luego trabajará con proveedores para ver qué mejoras se podrían hacer.

Los ingenieros también planean investigar los cambios en el cableado, como cambiar el número de vueltas por pulgada en cables trenzados, usando diferentes tipos de blindaje para el cableado e instalando diferentes puntos de conexión entre el blindaje y el chasis.

No hay estándares para la protección de electrónicos automotores contra descargas atmosféricas, pero los ingenieros proactivos de la FCA están usando la simulación para buscar soluciones que reduzcan su impacto en las unidades de control electrónico automotor, en las antenas y en los cableados eléctricos.

La simulación permite que los ingenieros prevean, con precisión, la corriente generada en los cableados eléctricos y otros componentes del vehículo durante una descarga eléctrica, posibilitando evaluar posibles mejoras en el proyecto en una fracción del tiempo y del costo necesario para la prueba física.



Cuenta con más de 20 años de actuación, reúne experiencia y conocimiento en ingeniería y ciencias de la computación, lo que permite ofrecer al mercado soluciones completas en simulación computacional y desarrollo de software científico en ingeniería. También tiene experiencia en las áreas de análisis estructural, fuidodinámica, electromagnética y simulación de partículas.


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