Crashworthiness analysis and design optimization of hybrid impact energy absorbers

Abstract

[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.