Crashworthiness analysis and design optimization of hybrid impact energy absorbers
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http://hdl.handle.net/2183/16290
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- Teses de doutoramento [2089]
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Crashworthiness analysis and design optimization of hybrid impact energy absorbersAutor(es)
Director(es)
Díaz García, JacoboRomera Rodríguez, Luis Esteban
Data
2015Centro/Dpto/Entidade
Universidade da Coruña. Departamento de Tecnoloxía da ConstruciónResumo
[Resumen]En el campo de investigación del diseño y la optimización de estructuras de
protección y absorción de energía, se ha experimentado un importante avance
gracias a las rápidas mejoras de las herramientas de modelado y simulación
computacionales. En lo relativo a vehículos de carretera, este énfasis se ha notado
desde los años 1990, motivado por las preocupaciones y necesidades de la
sociedad. Las colisiones frontales son especialmente fatales para los ocupantes
y, por lo tanto, se ha prestado especial atención a la absorción de energía y
comportamiento frente a impacto de las partes frontales de los vehículos. Este
esfuerzo ha conducido a diseños estructurales en los que los elementos frontales se
aplastan longitudinalmente de forma progresiva y controlada, absorbiendo una
considerable cantidad de energía cinética por medio de mecanismos de disipación
plástica en metales, aplastamiento de espumas o degradación y fractura de materiales
compuestos. Hoy en día, se utilizan muy habitualmente en la industria
perfiles de acero o aluminio, aunque existen otros materiales igualmente adecuados.
En particular, una forma de mejorar el comportamiento de estos elementos
estructurales es combinar varios materiales en un único diseño, de forma que las
mejores características de cada uno contribuyan al comportamiento global del
componente.
Esta tesis doctoral presenta una investigación acerca de la absorción de energía
y el comportamiento frente a impacto de elementos estructurales consistentes
en una combinación de un tubo metálico y diferentes refuerzos internos
en materiales no metálicos. Se han realizado ensayos experimentales y simulaciones
computacionales de elementos rellenos de láminas de fibra de carbono o
fibra de vidrio, espuma de tereftalato de polietileno y un aglomerado de corcho
para evaluar su comportamiento frente a impacto.
En primer lugar, se presenta una campaña de ensayos experimentales y
numéricos del aplastamiento axial de componentes rellenos hechos de un perfil de acero ensamblado mediante soldadura por puntos, trabajo hecho en colaboración
con el centro de investigación CTAG (Centro Tecnolóxico da Automoción de Galicia)
en el marco del proyecto “Hybrid Body”, financiado con fondos públicos de
la Xunta de Galicia. Los resultados de los componentes rellenos con placas de
fibra de vidrio o espuma mostraron un comportamiento particularmente bueno
en términos de distintas métricas usadas para su evaluación. Se realizó asimismo
un estudio paramétrico para examinar con mayor precisión el comportamiento de
los componentes rellenos de fibra de vidrio, así como la influencia del espaciado
y distribución de los puntos de soldadura en los resultados. A la vista de lo anterior,
se procedió a optimizar los tubos rellenos de placas de fibra de vidrio con el
objetivo de obtener los diseños óptimos para dos funciones objetivo simultáneas:
la absorción específica de energía y la relación de carga. Esta optimización se ejecutó
sobre metamodelos de las funciones objetivo. Se utilizaron para este fin un
algoritmo de gradiente conjugado y un algoritmo genético, que fueron ejecutados
sobre un metamodelo de regresión de splines adaptativas multivariadas (MARS)
y comparados entre sí. Se observó que el comportamiento de este componente
se podría mejorar si las placas internas de fibra de vidrio se confinasen de alguna
manera en el interior del tubo, dado que algunos pedazos se desprenden
con las primeras fracturas. Para ello, un nuevo diseño consistente en un tubo
de aluminio relleno con placas de fibra de vidrio embebidas en espuma sintética
se ensayó numérica y computacionalmente. Este trabajo se realizó durante una
estancia de investigación de seis meses en el laboratorio de impacto estructural
(SIMLab) de la NTNU en Trondheim, Noruega. Se obtuvieron algunos resultados
de interés propiciados por el hecho de que la interacción entre los dos materiales
de refuerzo mejoró, en efecto, el comportamiento del elemento estructural. Esta
interacción fue analizada y cuantificada por medio de la fórmula de Hanssen para
secciones de aluminio rellenas de espuma, que fue modificada pertinentemente
en esta tesis para tener en cuenta la interacción entre dos refuerzos. Después
de estos ensayos experimentales, se construyó un nuevo modelo de elementos
finitos basado en una campaña de ensayos de materiales para simular el comportamiento
de este último diseño. El comportamiento de este modelo se validó con
los ensayos experimentales, mostrando una excelente correlación. Se construyó
también un modelo adicional considerando acero en lugar de aluminio para el
tubo exterior. Se ajustó un metamodelo MARS a un muestreo de resultados
computacionales considerando distintas métricas de absorción de impactos, que
fueron usadas posteriormente en un problema de optimización multi-objetivo.
Como variables de diseño se tomaron la densidad de la espuma y los espesores
de la fibra de vidrio y los metales. El problema se resolvió con el algoritmo
genético probado con anterioridad.
Los resultados muestran que el comportamiento frente a impacto de tubos de
acero o aluminio puede ser mejorado en gran medida con refuerzos internos de fibra de vidrio y espuma de tereftalato de polietileno. Se han obtenido diseños
óptimos para elementos seleccionados considerando distintas funciones objetivo
relevantes. De la fase de optimización se concluye que un algoritmo evolutivo
trabaja sensiblemente mejor que uno de gradiente conjugado en este tipo de
problemas, dado que el primero fue capaz de explorar los metamodelos más
concienzudamente que el segundo. Se ha descubierto asímismo que la interacción
entre placas de fibra de vidrio y espuma de tereftalato de polietileno colocadas en
el interior de un tubo metálico es de gran importancia para una mayor absorción
de energía del diseño, siendo convenientemente cuantificada. [Resumo]No eido do deseño e a optimización de estruturas de protección e absorción de
enerxía, experimentouse un importante avance grazas ás rápidas melloras das
ferramentas de modelado e simulación computacionais. No relativo aos automóbiles,
esta énfase notouse desde os anos 1990, motivada polas preocupacións e
necesidades da sociedade. As colisións frontais son especialmente fatais para
os ocupantes e, por tanto, prestouse especial atención á absorción de enerxía e
comportamento fronte a impacto das partes frontais dos vehículos. Este esforzo
conduciu a deseños estruturais nos que os elementos frontais esmáganse lonxitudinalmente
de forma progresiva e controlada, absorbendo unha considerable
cantidade de enerxía cinética por medio de mecanismos de disipación plástica en
metais, esmagamento de escumas ou degradación e fractura de materiais compostos.
Hoxe en día, empréganse a cotío na industria perfís de aceiro ou aluminio,
aínda que existen outros materiais igualmente adecuados. En particular, unha
forma de mellorar o comportamento destes elementos estruturais é combinar varios
materiais nun único deseño, de forma que as mellores características de cada
un contribúan ao comportamento global do compoñente.
Esta tese doutoral presenta unha investigación acerca da absorción de enerxía
e o comportamento fronte a impacto de elementos estruturais consistentes nunha
combinación dun tubo metálico e diferentes reforzos internos en materiais non
metálicos. Realizáronse ensaios experimentais e simulacións computacionais de
elementos recheos de láminas de fibra de carbono ou fibra de vidro, escuma de
tereftalato de polietileno e un aglomerado de cortiza para avaliar o seu comportamento
fronte a impacto.
En primeiro lugar, preséntase unha campaña de ensaios experimentais e
numéricos do esmagamento axial de compoñentes recheos feitos dun perfil de
aceiro ensamblado mediante soldadura por puntos, traballo feito en colaboración
co centro de investigación CTAG (Centro Tecnolóxico da Automoción de Galicia) no marco do proxecto “Hybrid Body”, financiado con fondos públicos da
Xunta de Galicia. Os resultados dos compoñentes recheos con placas de fibra
de vidro ou escuma mostraron un comportamento particularmente bo en termos
de distintas métricas usadas para a súa avaliación. Realizouse así mesmo un
estudo paramétrico para examinar con maior precisión o comportamento dos
compoñentes recheos de fibra de vidro, así como a influencia do espaciado e distribución
dos puntos de soldadura nos resultados. Á vista do anterior, procedeuse
a optimizar os tubos recheos de placas de fibra de vidro co obxectivo de obter os
deseños óptimos para dúas funcións obxectivo simultáneas: a absorción específica
de enerxía e a relación de carga. Esta optimización executouse sobre metamodelos
das funcións obxectivo. Utilizáronse para este fin un algoritmo de gradiente
conxugado e un algoritmo xenético, que foron executados sobre un metamodelo
de regresión de splines adaptativas multivariadas (MARS) e comparados entre
si. Observouse que o comportamento deste compoñente poderíase mellorar se
as placas internas de fibra de vidro se confinasen dalgún xeito no interior do
tubo, dado que algúns pedazos despréndense coas primeiras fracturas. Para iso,
un novo deseño consistente nun tubo de aluminio recheo con placas de fibra de
vidro embebidas en escuma sintética ensaiouse numérica e computacionalmente.
Este traballo realizouse durante unha estancia de investigación de seis meses no
laboratorio de impacto estrutural (SIMLab) da NTNU en Trondheim, Noruega.
Obtivéronse algúns resultados de interese propiciados polo feito de que a interacción
entre os dous materiais de reforzo mellorou, en efecto, o comportamento
do elemento estrutural. Esta interacción foi analizada e cuantificada por medio
da fórmula de Hanssen para seccións de aluminio recheas de escuma, que foi
modificada axeitadamente nesta tese para ter en conta a interacción entre dous
reforzos. Despois destes ensaios experimentais, construíuse un novo modelo de
elementos finitos baseado nunha campaña de ensaios de materiais para simular o
comportamento deste último deseño. O comportamento deste modelo validouse
cos ensaios experimentais, mostrando unha excelente correlación. Construíuse
tamén un modelo adicional considerando aceiro en lugar de aluminio para o
tubo exterior. Axustouse un metamodelo MARS a unha mostraxe de resultados
computacionales considerando distintas métricas de absorción de impactos,
que foron usadas posteriormente nun problema de optimización multi-obxectivo.
Coma variables de deseño tomáronse a densidade da escuma e os espesores da
fibra de vidro e os metais. O problema resolveuse co algoritmo xenético probado
con anterioridade.
Os resultados mostran que o comportamento fronte a impacto de tubos de
aceiro ou aluminio pode ser mellorado en gran medida con reforzos internos de
fibra de vidro e escuma de tereftalato de polietileno. Obtivéronse deseños óptimos
para elementos seleccionados considerando distintas funcións obxectivo relevantes.
Da fase de optimización conclúese que un algoritmo evolutivo traballa sensiblemente mellor que un de gradiente conxugado neste tipo de problemas,
dado que o primeiro foi capaz de explorar os metamodelos máis concienzudamente
que o segundo. Descubriuse tamén que a interacción entre placas de fibra
de vidro e escuma de tereftalato de polietileno colocadas no interior dun tubo
metálico é de gran importancia para unha maior absorción de enerxía do deseño,
sendo convenientemente cuantificada. [Abstract]Extensive research has been done on the energy absorption, crash performance
and optimization of different protective structures, helped by recent advances
in computational modeling and simulation. When it comes to road vehicles,
research on occupant protection has been emphasized since the 1990s due to
increasing society’s concerns. Head-on collisions are particularly fatal for occupants,
and therefore, special focus has been put on the energy absorption and
structural performance of the vehicles’ front parts. This effort led to structural
designs where the front members are axially crushed in a controlled and progressive
way, absorbing a remarkable amount of kinetic energy by means of plastic
dissipation of metals, collapse of foams or degradation and fracture of composite
materials. Nowadays, steel or aluminum profiles are vastly employed in industry,
whereas other materials are also suitable. In particular, one way to improve the
behavior of these structural elements is to combine several materials into a single
design, so that the best characteristics of each one contribute to the component’s
overall performance.
This thesis presents the investigations into the energy absorption and crashworthiness
of structural members made of a metal tube and different non-metallic
inner reinforcements. Experimental and numerical tests were performed on components
filled with carbon or glass fiber reinforced polymers, polyethylene terephthalate
foam or a cork agglomerate, in order to assess their crash performance.
A test campaign involving the numerical and experimental axial crushing of
filled components made from a spot-welded steel profile is first presented, which
was carried out in close collaboration with the research center CTAG (Centro Tecnolóxico
da Automoción de Galicia) under the research project “Hybrid Body”,
publicly funded by the regional government of Galicia. Results of GFRP-filled
or foam-filled tubes showed a particularly good result in terms of different crashworthiness
metrics, and a parametric study was performed afterwards in order to look closer to the performance of the GFRP-filled component and the influence
of the spacing and distribution of the spot welds on the flanges of the
steel profiles. Given the previous results, GFRP-filled tubes were subjected to
an optimization procedure to obtain the optimum designs for two simultaneous
objective functions, load ratio and specific energy absorption, by means of an optimization
strategy which was run on metamodels of the objective functions. A
gradient-based and a genetic optimization algorithms were run on a multivariate
adaptive regression splines metamodel (MARS) and tested against each other. It
was observed that the performance of this GFRP-filled tube could be improved
if the GFRP plates in the inner reinforcement were somehow confined inside the
tube, given that some parts were dislodged after the first fractures occurred. To
that end, a design consisting of an aluminum tube filled with a GFRP skeleton
embedded in PET foam was tested numerically and experimentally. This work
was done during a six-monthly research stay at the Structural Impact Laboratory
(SIMLab) of the NTNU in Trondheim, Norway. Some interesting results
were obtained, given that the interaction between both filler materials indeed
improved the crashworthiness of the design. This interaction was analyzed and
quantified by terms of Hanssen’s formula for foam-filled aluminum sections, modified
in this thesis to account for the interaction between two reinforcement parts.
A finite element model was then build to simulate the performance of this last
design, assisted by a material testing campaign. The behavior of the finite element
model was validated against the experimental test, showing a very good
agreement. Additionally, an alternative design with a DDQ steel instead of aluminum
was also considered and simulated. A MARS surrogate model was fit
to a large sample of these models considering several crashworthiness metrics to
be used then as objective functions in a multi-objective optimization problem.
The foam density and the GFRP and metal thicknesses were chosen as design
variables for the optimization problem, solved by the previously tested genetic
algorithm.
Results showed that the crashworthiness of steel or aluminum tubes can be
improved at a larger extent with inner GFRP structures and PET foam than
with other materials. Optimum pairs were obtained for selected designs considering
different crashworthiness metrics as objective functions. From the optimization
phases, it can be concluded that an evolutionary algorithm was slightly
more effective than a conjugate-gradient method in finding the optimum designs
of the models, given that the metamodel was more concisely explored by the
former. The interaction between GFRP plates and PET foam reinforcements
placed together inside a metal tube was found to be very relevant for the energy
absorption of the component, and was conveniently quantified.
Palabras chave
Automóviles-Resistencia a las colisiones
Automóviles-Seguridad-Dispositivos
Resistencia de materiales
Automóviles-Seguridad-Dispositivos
Resistencia de materiales
Dereitos
Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional