Análisis de la capacidad de un atenuador de impacto y consecuencias para los pilotos de un vehículo FSAE

Martín de Azcárate, Laura (2017). Análisis de la capacidad de un atenuador de impacto y consecuencias para los pilotos de un vehículo FSAE. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Análisis de la capacidad de un atenuador de impacto y consecuencias para los pilotos de un vehículo FSAE
Autor/es:
  • Martín de Azcárate, Laura
Director/es:
  • Alcalá Fazio, Enrique
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2017
Materias:
Palabras Clave Informales: Energía absorbida, atenuador de impacto, maniquí de impacto, riesgo de lesión
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Mecánica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Este Trabajo de Fin de Grado surge como continuación de otras investigaciones que se han realizado en el Instituto Universitario de Investigación del Automóvil (INSIA) relacionadas con el atenuador de impacto que se utiliza en un vehículo que participa en la Formula SAE (Sociedad de Ingenieros de Automoción) y con las consecuencias que sufren los pilotos que lo conducen en caso de una colisión frontal. Se trata de un proyecto en el que se va realizar tanto una puesta a punto de un ensayo de impacto, que se realiza a una velocidad controlada, como el desarrollo de la metodología de simulación de la protección de un piloto. Para realizar esta simulación se emplea un maniquí de impacto que es una réplica del cuerpo humano que trata de reproducir el comportamiento del mismo cuando se produce un choque. El maniquí contiene numerosas células de carga, sensores de compresión y acelerómetros repartidos por todo el cuerpo para recolectar toda la información posible sobre variables relacionadas con fuerzas, longitudes y aceleraciones que se producen durante un impacto. Esta información es posteriormente analizada para interpretar cómo actúan las colisiones sobre el cuerpo humano y estudiar las posibles lesiones que sufriría el ocupante del vehículo si este se viera sometido a un impacto similar al que se ha experimentado. Para entender el efecto de una colisión sobre el cuerpo humano, primeramente se debe comprender que un impacto surge como respuesta a un efecto dinámico que se produce debido a un cambio repentino en la aceleración o deceleración causada por el contacto directo entre dos o más cuerpos. Cuando se habla del impacto de un vehículo se debe considerar que este se divide en tres colisiones, que se producen de forma simultánea: por un lado está la colisión del propio automóvil con la superficie contra la que choque; por otro la de los ocupantes del vehículo con los elementos de seguridad pasiva como son el cinturón, el airbag y el reposacabezas, o en su defecto con el volante, el salpicadero y el parabrisas, y; por último, la colisión de los propios órganos internos de los ocupantes. El uso de elementos de seguridad pasiva permite que el cuerpo de los ocupantes se acople al movimiento del vehículo y que, de esta forma, disminuyan los daños sufridos, que están directamente relacionados con la energía del impacto. Se pueden distinguir tres tipos diferentes de impacto de un vehículo contra una superficie, pudiéndose esta otro vehículo o cualquier otro objeto que se encuentre en la vía: las colisiones frontales, cuando el impacto se produce en la parte delantera del vehículo; las colisiones traseras o por alcance, cuando es la parte trasera la que impacta, y; las colisiones laterales, en las que la superficie de contacto del impacto no es ni la parte frontal ni la trasera del vehículo y que se pueden clasificar en colisiones perpendiculares, oblicuas, reflejas o raspados. Este proyecto se va a centrar exclusivamente en las colisiones de tipo frontal. Para absorber la energía del choque en un vehículo de competición se utiliza un atenuador de impacto, que es un elemento que se deforma para tratar de absorber dicha energía, actuando como un disipador de energía que amortigua el choque, y así evitar que se produzcan daños significativos en el vehículo y, sobre todo, en el piloto. La Fórmula SAE cuenta con una normativa que debe cumplir todo monoplaza que quiera participar en ella y en la que se incluyen varios aspectos relacionados con la seguridad del piloto, que son a los que mayor importancia se les ha dado en este proyecto. El atenuador de impacto debe ir colocado en la parte delantera del monoplaza, la velocidad de impacto máxima debe ser 7 m/s, es decir, unos 25 km/h y la deceleración media no puede superar los 20 g's, siendo g la aceleración de la gravedad 9,81 m/s2. Asimismo, los picos de deceleración no pueden superar los 40 g's. En el caso de UPM Racing, que es el equipo de la Universidad Politécnica de Madrid participante en las competiciones de la Fórmula SAE, el elemento que se encarga de absorber toda la energía del choque es un atenuador de impacto de aluminio que cuenta con una estructura de panal de abeja. Puesto que está diseñado por el propio equipo, se ha creado para una velocidad de impacto superior a los 7 m/s, velocidad límite de la normativa, por lo que si durante la competición se produjese una colisión frontal de dicha severidad, el monoplaza no debería sufrir ninguna deformación y el habitáculo del piloto debería permanecer intacto. Sin embargo, este proyecto trata de ser más ambicioso y también se va a utilizar una velocidad de impacto superior a la impuesta por la normativa. De esta forma, se desea analizar qué le ocurriría al piloto si impactase a una velocidad superior a la fijada por la normativa. De la misma forma, se va a comparar el uso de dicho atenuador de aluminio con otro de fibra de carbono, que es un material con gran aplicación en industrias de alta responsabilidad, como es la del automóvil y más teniendo en cuenta que el vehículo considerado en este proyecto es de competición. Asimismo, no solo se va a estudiar la influencia del atenuador de impacto en una colisión, sino que también se va analizar la importancia del cinturón de seguridad, que en un vehículo de competición se denomina arnés y que cuenta con más tramos de cinturón que los que se encuentran en un turismo convencional. Un mal posicionado del cinturón, así como un mal ajuste del mismo por parte del piloto, conllevan a que su cuerpo se mueva en mayor medida y que, por tanto, aumente el riesgo de lesiones que sufriría en caso de impacto. Para realizar estos estudios se han realizado diferentes modelos que incluyen toda la variedad de casos expuesta con el programa de elementos finitos ANSYS. Puesto que este software cuenta con infinidad de aplicaciones, para este proyecto se han utilizado Mechanical APDL y LS-DYNA. Adicionalmente se utiliza LS-Pre-Post para trabajar con una interfaz tipo Workbench y PSPAD para una edición rápida. Se ha tratado de efectuar un único modelo que incluyese las diferentes posibilidades permitiendo utilizar una u otra realizando pequeñas modificaciones. Sin embargo, esto no siempre ha sido posible porque cuando se quieren estudiar ciertas influencias de la posición del arnés, aquellas determinadas por ángulos y distancias, hay que modificar completamente la posición de ciertos tramos de cinturones, por lo que ha sido necesario realizar un modelo adicional por cada configuración de los cinturones. Todos estos modelos han permitido que este proyecto defina una metodología de análisis mediante la simulación de las condiciones de seguridad en caso de que se produzca un impacto en un monoplaza de la competición de la Fórmula SAE.

Más información

ID de Registro: 46028
Identificador DC: http://oa.upm.es/46028/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:46028
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 24 May 2017 05:22
Ultima Modificación: 24 May 2017 05:22
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