Modelado de explosión de llanta en las simulaciones de choque frontal de superposición pequeña

En un pequeño impacto frontal superpuesto, los bordes exteriores del vehículo, que no están bien protegidos por las estructuras de la zona de aplastamiento , están formando la ruta principal de transporte de carga. Los neumáticos y las ruedas, así como el sistema de suspensión, suelen estar sujetos a la fuerza del impacto. Los neumáticos golpeados por la barrera rígida generalmente estallan con la ruptura del neumático y la rueda, y pierden sus sellos de aire al quitar los cordones. La explosión del neumático afecta la cinemática y la deformación de la suspensión del vehículo y, en consecuencia, afecta el rendimiento del vehículo en caso de colisión.

Tener en cuenta la disminución de la presión debido a la explosión de un neumático es importante para una predicción precisa de la respuesta al choque del vehículo. Por lo tanto, modelar el estallido de la llanta que es causado por daño material y / o desbarbado debido a la pérdida de sello entre la llanta y la llanta es clave para replicar el pequeño evento de choque superpuesto. Este artículo presenta el modelado de elementos finitos de neumáticos en Abaqus para tener en cuenta el estallido de neumáticos en simulaciones de choques.

Modelado de neumáticos

El primer paso es crear un modelo de inflado de neumáticos simétrico y bidimensional. Esto incluye el modelado de la banda de rodadura del neumático y la pared lateral utilizando elementos sólidos simétricos; el modelado de cinturones y carcasas de neumáticos con elementos de superficie simétricos y empotrados; y la rueda con elementos de carcasa axisimétricos.

El segundo paso es generar un modelo de neumático tridimensional simétrico girando 360 grados el modelo bidimensional al final del análisis de inflado. Con el parámetro “FILE NAME” de la opción * SYMMETRIC MODEL GENERATION en Abaqus / Standard, se creará un modelo tridimensional con el nombre de extensión .axi. Este archivo incluye las definiciones de nodo, elemento y sección.

Modelado de explosión de neumáticos

La característica clave para replicar el estallido del neumático es modelar los dos mecanismos de falla:roturas de material en el neumático y la llanta de la rueda y desbordamiento. Por lo tanto, se deben realizar las siguientes modificaciones en el modelo de neumático tridimensional:La pared lateral del neumático y la llanta de la rueda deben modelarse como dos partes separadas para permitir la separación a fin de tener en cuenta el deshilachado. El talón de acero debe modelarse para que haya suficiente resistencia y fricción para mantener el neumático intacto cuando se infla con la presión sugerida. Aquí, modelamos el talón del neumático utilizando elementos de viga 3D.

Las propiedades del material de la banda de rodadura del neumático y la pared lateral deben poder capturar el daño destructivo del material de caucho al impactar, creando así aberturas en el neumático que permitan que el aire escape fuera del neumático y explote. Dependiendo de las condiciones, como el ángulo de impacto y la velocidad del impacto, cualquiera de los mecanismos puede provocar la explosión del neumático. Cualquiera de los dos mecanismos (la ruptura del material y el desbastado ocurre primero) será seguido por el estallido de la llanta y la caída rápida de la presión de la llanta y la pérdida de soporte del sistema de suspensión del vehículo.

La función de cavidad de fluido Abaqus se utiliza para modelar la presión interna del neumático. Un volumen cerrado se define mediante el uso de elementos de superficie que cubren el interior del neumático y la llanta al compartir nodos con la capa interna de nodos del neumático y la llanta. La presión del neumático está relacionada con el volumen cerrado. Para tener en cuenta la falla del material, utilizamos el material hiperelástico junto con los criterios de daño para las propiedades del material de caucho de la banda de rodadura y la pared lateral. Tras el daño del material y la eliminación de elementos, los elementos de la superficie debajo del material de goma estarán libres de ser empujados fuera del neumático por la diferencia de presión.

El volumen de la cavidad de fluido aumenta rápidamente y la presión de los neumáticos disminuye a medida que aumenta el volumen. Para tener en cuenta el desbordamiento, el área que el neumático está en contacto con la llanta debe modelarse de la siguiente manera:El anillo de elementos de superficie en la llanta, donde uno está unido a la pared lateral del neumático, se vuelve a engranar con un malla más fina, creando así dos capas de nodos libres en el volumen cerrado de la cavidad del fluido. Se agregan dos anillos de elementos de caparazón con una rigidez de material insignificante, que comparten nodos con los dos anillos de elementos de superficie. El contacto se define entre los dos anillos de los elementos de la carcasa y la llanta para mantener los nodos libres en su lugar cuando el neumático y la llanta no están separados.

Los nodos libres están compensados ​​para evitar estar en la misma ubicación que la llanta para mejores condiciones de contacto. Cuando ocurre el desbordamiento, los nodos libres estarán libres para atravesar la abertura, lo que aumentará el volumen y despresurizará el neumático. Las líneas rojas corresponden a los elementos de la superficie con elementos de carcasa subyacentes que cierran el espacio entre el neumático y la llanta, creando así un volumen cerrado para la cavidad del fluido.

Resultados de la simulación

Se simuló un impacto vertical, un impacto lateral y un impacto de 45 grados. Se encontró que en el impacto vertical, cuando el impactador hace contacto con el neumático en la banda de rodadura del neumático, el material de caucho se daña donde la llanta también contacta con la banda de rodadura del neumático. La explosión del neumático sigue con una rápida caída de presión. En el impacto lateral cuando el impactador hace contacto con la pared lateral del neumático, la pared lateral se separa de la llanta. La explosión del neumático sigue con una rápida caída de presión. En el impacto de 45 grados, se producen daños materiales y desbordamiento, lo que provoca la despresurización del neumático.

La falla del material ocurrió primero a aproximadamente 4 mseg y el desbordamiento sigue aproximadamente a 4.5 mseg en el otro lado del neumático donde la llanta se mueve más rápido que la pared del neumático debido al impacto. La curva de presión de la cavidad del fluido se obtiene de la simulación. Se muestra que la presión sigue aumentando después de que el daño material debido a que la velocidad de escape de aire es aún menor que el aumento de presión debido al impacto. Pero después de 0,5 mseg, la presión comienza a caer. El neumático se desinfla por completo aproximadamente a 5,5 mseg. El proceso de ruptura toma un total de 1.5 mseg desde la primera aparición de la falla del material hasta la presión cero.

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