Simulación de fallo de neumáticos en colisiones frontales de solape pequeño: Impacto en la dinámica del vehículo

En impactos frontales de solape pequeño, los bordes exteriores del vehículo, que no están bien protegidos por las estructuras de absorción, forman la principal trayectoria de carga. Neumáticos y ruedas, así como el sistema de suspensión, suelen someterse a la fuerza de impacto. Los neumáticos golpeados por la barrera rígida suelen reventar con ruptura del neumático y la rueda, y pierden su estanqueidad al desprendernos del talón (de-beading). El reventón del neumático afecta la cinemática y deformación de la suspensión y, por tanto, el comportamiento del vehículo en el choque.

Considerar la disminución de presión por el reventón es importante para predecir con precisión la respuesta del vehículo. Por tanto, modelar el reventón causado por daño de material y/o desprendimiento del talón por pérdida de estanqueidad entre neumático y llave es clave para replicar el evento de choque de solape pequeño. Este artículo presenta el modelado de elementos finitos de neumáticos en Abaqus para tener en cuenta el reventón en simulaciones de choque.

Modelado del neumático

El primer paso es crear un modelo de inflado de neumático bidimensional axisimétrico. Esto incluye modelar la banda de rodadura y el flanco con elementos sólidos axisimétricos; los cinturones y la carcasa con elementos de superficie axisimétricos embebidos; y la llave con elementos de capa axisimétricos.

El segundo paso es generar un modelo tridimensional simétrico del neumático revolviendo el modelo 2D al final del análisis de inflado 360 grados. Con el parámetro «FILE NAME» de la opción *SYMMETRIC MODEL GENERATION en Abaqus/Standard, se crea un modelo tridimensional con extensión .axi que incluye definiciones de nodos, elementos y secciones.

Modelado del reventón del neumático

La característica clave para replicar el reventón es modelar los dos mecanismos de fallo: roturas de material en neumático y llave, y desprendimiento del talón. Por tanto, se deben hacer las siguientes modificaciones al modelo 3D: el flanco del neumático y la llave deben modelarse como dos partes separadas para permitir separación y así contabilizar el desprendimiento. El talón de acero debe modelarse para que haya suficiente resistencia y fricción que mantenga el neumático intacto cuando se infla a la presión sugerida. Aquí modelamos el talón usando elementos de viga 3D.

Las propiedades del material de la banda y el flanco deben capturar el daño destructivo del caucho tras el impacto, creando aberturas que permitan la fuga de aire y el reventón. Dependiendo de condiciones como ángulo y velocidad de impacto, cualquiera de los dos mecanismos puede desencadenar el reventón. El que ocurra primero —rotura de material o desprendimiento— será seguido por reventón y caída rápida de presión y pérdida de soporte a la suspensión.

La característica de cavidad fluida de Abaqus modela la presión interna del neumático. Se define un volumen cerrado usando elementos de superficie que cubren el interior del neumático y la llave compartiendo nodos con la capa interna. La presión se relaciona con el volumen cerrado. Para contabilizar el fallo de material, usamos material hiperelástico junto con criterios de daño para las propiedades de caucho de banda y flanco. Tras daño y eliminación de elementos, los elementos de superficie subyacentes quedan libres para ser empujados fuera por la diferencia de presión.

El volumen de la cavidad fluida aumenta rápido y la presión cae al aumentar el volumen. Para el desprendimiento, la zona de contacto neumático-llave se modela así: el anillo de elementos de superficie en la llave, unido al flanco, se remalla con malla más fina, creando dos capas de nodos libres en el volumen cerrado. Dos anillos de elementos de capa con rigidez despreciable se añaden, compartiendo nodos con los dos anillos de superficie. Se define contacto entre los dos anillos de capa y la llave para mantener los nodos libres en su lugar cuando neumático y llave no están separados.

Los nodos libres se desplazan para evitar coincidir con la llave y mejorar condiciones de contacto. Cuando ocurre el desprendimiento, los nodos libres pasan por la abertura, aumentando el volumen y despresurizando el neumático. Las líneas rojas corresponden a elementos de superficie con elementos de capa subyacentes que cierran el hueco entre neumático y llave, creando un volumen cerrado para la cavidad fluida.

Resultados de simulación

Se simularon impacto vertical, lateral y a 45 grados. En el impacto vertical, cuando el impactador contacta la banda, el material de caucho se daña donde la llave también contacta la banda. El reventón sigue con caída rápida de presión. En el impacto lateral, el flanco se separa de la llave y sigue reventón con caída de presión. En el de 45 grados, ambos mecanismos ocurren, resultando en despresurización.

El fallo de material ocurrió primero a ~4 ms y el desprendimiento a ~4.5 ms en el lado opuesto donde la llave se mueve más rápido que el flanco. La curva de presión de la cavidad fluida muestra que la presión sigue aumentando tras el daño porque la velocidad de escape de aire es menor que el aumento de presión por impacto. Pero tras 0.5 ms la presión empieza a caer. El neumático se desinfla totalmente a ~5.5 ms. El proceso de reventón dura 1.5 ms desde la primera aparición de fallo de material hasta presión cero.

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