ES2326803T3 - Procedimiento para diseñar y fabricar un parachoques de automovil con seccion en i formado a partir de material compuesto termoplastico de estera de vidrio con cargas de minerales. - Google Patents
Procedimiento para diseñar y fabricar un parachoques de automovil con seccion en i formado a partir de material compuesto termoplastico de estera de vidrio con cargas de minerales. Download PDFInfo
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Abstract
Un procedimiento para diseñar y fabricar un parachoques termoplástico reforzado con fibras en forma de viga para vehículos automóviles que tienen cargas minerales, comprendiendo el parachoques: una parte frontal que es una brida frontal sustancialmente plana (18), una parte trasera que es una brida trasera sustancialmente plana (20), al menos un travesaño, en el que dicho al menos un travesaño es un alma sustancialmente plana (14) que tiene un primer borde y un segundo borde opuesto, estando dicha alma (14) orientada en perpendicular a dicha brida frontal (18), de manera que dicho primer borde de dicha alma (14) esté conectado a dicha brida frontal (18) a lo largo de la línea mediana de la superficie plana de dicha brida frontal (18), y en el cual dicha parte trasera es una brida trasera (20) sustancialmente plana orientada en paralelo a dicha brida delantera (18), de manera que dicho segundo borde de dicha alma (14) esté conectado a lo largo de la línea mediana de la superficie plana de dicha brida trasera (20), comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas: - determinar las dimensiones de aproximadamente 20 secciones de viga respecto de las variables: espesor de la brida delantera, longitud del alma, espesor del alma, espesor de la brida trasera, - con lo cual las secciones son modeladas a partir de una línea central (42) del parachoques hasta un soporte de larguero (44), y las dimensiones de las secciones varían uniformemente de la línea mediana (42) hacia el soporte de larguero (44); y - moldear dicha parte frontal, dicha parte trasera y dicho al menos un travesaño a partir de un material termoplástico reforzado con fibras que contiene cargas minerales.
Description
Procedimiento para diseñar y fabricar un
parachoques de automóvil con sección en I formado a partir de
material compuesto termoplástico de estera de vidrio con cargas de
minerales.
La invención se refiere, en general, a
parachoques para automóviles y, más específicamente, a un
procedimiento para diseñar y fabricar un parachoques con sección en
I que tiene una prestación de impacto mejorada y formado a partir
de materiales compuestos termoplásticos de estera de vidrio con
cargas minerales.
Por su naturaleza, los parachoques de automóvil
deben poder resistir un impacto considerable. Los parachoques
metálicos o reforzados con metal han sido hasta ahora la única
alternativa práctica para los fabricantes de coches a causa de la
resistencia y la durabilidad asociadas a los componentes metálicos.
Desdichadamente, los componentes de parachoques metálicos son caros
de producir, y añaden un peso considerable a los automóviles,
reduciendo el rendimiento del combustible.
Los fabricantes de coches y los fabricantes de
piezas para automóviles han experimentado un gran desarrollo,
buscando un sustituto más barato y más ligero para los pesados
parachoques metálicos tradicionales. Aunque se han hechos progresos
apreciables, los parachoques de plástico siguen teniendo una
relación de resistencia-peso que es inaceptable
para la industria del automóvil. Hay dos aspectos respectos de los
inconvenientes de los parachoques de plástico. En primer lugar, la
industria del automóvil ha sido incapaz de desarrollar un material
plástico que sea económicamente viable con una resistencia a la
tracción y una resistencia al impacto aceptable para el uso de
parachoques. En segundo lugar, la industria del automóvil ha sido
incapaz de desarrollar una disposición de chasis plástico capaz de
resistir los impactos que se producen típicamente en los accidentes
automovilísticos.
Actualmente, los materiales plásticos más
populares para las piezas para automóviles y los parachoques son
materiales termoplásticos de estera de vidrio. Los materiales
compuestos termoplásticos con estera de vidrio (GMT) son una
familia de materiales reforzados con fibra de vidrio, moldeables por
compresión con matrices termoplásticas cuyas propiedades mecánicas
son generalmente superiores a las de los materiales compuestos
termoplásticos moldeados por inyección estándar. Los GMT están
disponibles en los siguientes tipos de tejidos de vidrio: productos
de estera de vidrio orientados aleatoriamente, de hebra continua que
proporcionan un buen equilibrio de rigidez y resistencia en los
tres ejes; los tejidos de fibra de vidrio que añaden rigidez y
resistencia direccional en un único eje; y tejidos de fibra de
vidrio cortadas, largas que proporcionan propiedades de flujo
mejoradas y mejoras en la gestión de la energía con una mínima
reducción de la rigidez.
Los diferentes tejidos de vidrio se combinan con
una resina termoplástica, usualmente polipropileno, (aunque también
se ofrecen otras resinas de ingeniería a mayores temperaturas) para
formar un producto moldeable. Los productos GMT se suministran en
hoja o en forma de preforma a los procesadores que conforman los
materiales por moldeado por compresión o termoestampado.
Hasta recientemente, los parachoques de plástico
se habían fabricado tradicionalmente con disposiciones de chasis
que tienen una sección transversal en forma de "C" o de
"W"; La "C" o la "W" se usa para describir la forma
de los travesaños que conectan las paredes de parachoques de
plástico delantera y trasera. Estas configuraciones se eligieron a
causa de las características favorables de absorción de energía,
especialmente cuando el parachoques impactaba con un componente
vertical de fuerza. El diseño de parachoques de plástico con
sección en I ha evolucionado a lo largo de los últimos 10 años. Los
parachoques de plástico reforzado han proporcionado un rendimiento
adecuado y una reducción notable de peso pero penalizando el coste.
En 1992, la publicación Plastic News recogía que "Un nuevo
concepto de diseño de parachoques - la viga en I, ofrece el
potencial para hacer vigas de parachoques de plástico incluso más
ligeras y a un precio competitivo con parachoques de acero hasta
volúmenes que sobrepasaban los 100.000 al año".
La patente de los Estados Unidos nº 5.269.574,
de Bhutani y col. revela un parachoques con una forma de viga en I
construida en una resina termoplástica reforzado con fibra o resina
de refuerzo termocurada. La fibra que refuerza el material
termoplástico se selecciona entre un grupo de fibras de acero
inoxidable, fibras de vidrio aluminadas, fibras celulósicas o
fibras de vidrio. Desdichadamente, la implementación del diseño
revelado por Bhutani y col. presenta problemas de moldeado que son
inconsistentes con la razón económica en la industria del
automóvil.. Por ejemplo, la estructura de sección en I de Bhutani y
col. que tiene secciones ranuradas falla a la hora de formarse
adecuadamente durante el moldeado. Un análisis por rayos X muestra
que solamente entre el 50 y el 80% de las fibras usadas en el
moldeo del parachoques de Bhutani y col. fluyen dentro de los
nervios. Las consideraciones económicas requieren que los puntales
de montaje sean solidarios a la estructura.
El documento US 4.482.180 describe una
disposición de parachoques para un automóvil, la disposición de
parachoques que incluye un soporte de resistencia a la flexión que
tiene una forma en I. Un lado frontal del soporte alberga un
absorbedor de energía rodeado por una envoltura hecha de un material
viscoso.
El documento 4.749.613 describe una viga de
parachoques formada por una resina termoplástica reforzada con
fibra compuesta, que comprende láminas cada una compuesta por fibras
de refuerzo dispuestas en una dirección y tejidos de fibra y una
resina termoplástica incorporada a las láminas por impregnación.
La invención es un procedimiento para diseñar y
fabricar un parachoques con sección en I formado a partir de un
material termoplástico reforzado con fibra en el cual las adiciones
de fibra consisten en un estera de vidrio cortado largo con la
adición de cargas minerales tales como mica, talco o arcilla. El uso
de cargas minerales permite la sustitución de fibras más costosas.
El material termoplástico reforzado tiene características de flujo
favorables que permiten que el material llene sustancialmente
nervios profundos y estructuras de puntales de montaje usadas en
parachoques de sección en I durante el moldeado por compresión,
mientras mejora el módulo o rigidez de cara transversal de una
parte acabada. Por primera vez, las características de flujo
mejoradas durante el moldeo permiten que el material fluya
regularmente dentro de pequeños nervios, protuberancias y otras
características. Esto hace que sea posible incrementar la
integración de piezas, tirantes de lápiz de moldeo, soportes de
tablero, agujero de montaje y puntales de montaje. La primera
superficie está cubierta por un absorbedor de energía de
conformación hecho de espuma plástica. Además, el absorbedor sirve
para montar un tablero estético. El resultado es un parachoques de
coste reducido y peso reducido con una resistencia al impacto
mejorada. El parachoques diseñado y fabricado por el procedimiento
de la invención es económico, ligero y muestra un rendimiento
superior en comparación con los parachoques basados en acero en
seguridad y resistencia a la deformación tras un impacto.
El objeto principal de la invención es
proporcionar un procedimiento para diseñar y fabricar un parachoques
con sección en I para automóviles que se forma a partir de material
plástico.
Otro objeto más particular de la invención es
proporcionar un procedimiento para diseñar y fabricar un parachoques
de GMT para automóviles que satisface todos los requisitos
relevantes para la integridad estructural en ensayos de impacto
estandarizados, aunque se reduce considerablemente el coste de
fabricación y el peso de las piezas.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
procedimiento para diseñar y fabricar un parachoques GMT para
automóviles que tiene características favorables de flujo durante el
moldeo por compresión del parachoques.
Los objetos anteriores y otros objetos se harán
más evidentes refiriéndose a la siguiente descripción detallada y
los dibujos anexos, en los cuales:
La figura 1 es una vista superior de la parte de
viga den I de un parachoques.
La figura 2 es una sección transversal de la
parte de viga en I de un parachoques.
La figura 3 es una vista superior de la parte
reforzada de viga en I de un parachoques que muestra nervios de
refuerzo para rigidización por torsión.
La figura 4 es una vista en sección transversal
de la parte de viga en I reforzada de un parachoques.
La figura 5 es una vista en perspectiva de un
parachoques de viga en I que muestra consolas a las cuales se puede
montar el parachoques.
La figura 6 es un diagrama de flujo de un
procedimiento para formar un parachoques.
La figura 7 muestra las secciones de viga cuyas
dimensiones se determinan usando el protocolo CAE de la
invención.
La figura 8 muestra un modelo de geometría de
plano mediano determinado usando el protocolo CAE de la
invención.
La figura 9 ilustra un perfil de espesor para un
diseño específico que usa el protocolo CAE de la invención.
Los materiales compuestos termoplásticos de
estera de vidrio (GMT) son una familia de materiales reforzados con
fibra de vidrio moldeables por compresión con matrices
termoplásticas cuyas propiedades mecánicas son generalmente
superiores a las de los materiales compuestos termoplásticos
moldeados por inyección.
Un parachoques fabricado por un procedimiento
según la presente invención utiliza GMT cargado de minerales como
material base para formar un parachoques con sección en I. Los
productos GMT de vidrio cortados largos proporcionan una reducción
considerable del peso respecto de los productos de estera de vidrio
orientados aleatoriamente, de hebra continua, tejidos de fibra de
vidrio largos unidireccionales y tejidos de fibra de vidrio
alargadas largos a la vez que incrementan la rigidez. Aunque la
mayoría de las vigas con sección en C y W se pueden formar con
cualquiera de las opciones de material de estera de vidrio, el flujo
superior requerido para cargar los nervios en diseños de sección en
I reforzados ha solicitado en el pasado el uso de fibra cortada
corta o vidrio corto y productos minerales solos. Tales productos de
tejido de fibras cortadas son también menos costosos que sus
homólogos de hebra continua. Como con todos los productos GMT
moldeados por compresión, tales productos se pueden combinar con
otros productos de tejido GMT en el molde para resolver todas las
necesidades de un diseño dado.
Sorprendentemente, el material de fibra cortada
larga usado según la presente invención, ofrece características de
flujo excepcionales que incluyen la capacidad de fluir dentro de
nervios relativamente pequeños, protuberancias y otras
características. Otros ensayos han mostrado la capacidad que tiene
este material para proporcionar una distribución uniforme de la
fibra incluso en espesor de pared inferior a 2 mm. Estas propiedades
hacen que sea posible incrementar la integración de piezas,
incluyendo el uso de puntales de montaje, tirantes de lápiz,
soportes de tablero y similares. La sección en I mencionada en mayor
detalle en la presente memoria puede incluir puntales de montaje
solidarios.
La estructura de parachoques con sección en I
con sus secciones ranuradas funciona mejor cuando una distribución
homogénea de la mezcla de vidrio/resina fluye dentro de los nervios
profundos. El parachoques usa preferiblemente GMT estructural
cortado largo para un flujo mejorado de las fibras de vidrio dentro
de todas las áreas del molde. Esto permite que el diseño del nervio
de viga en I alcance su pleno potencial distribuyendo las fuerzas
por toda la estructura de viga. El uso de GMT estructural cortado
largo muestra la mejora respecto de las formulaciones de GMT con
tejidos de vidrio aleatorios o unidireccionales, las formulaciones
de GMT con tejidos de vidrio aleatorios o unidireccionales
demostraron un rendimiento marginal en la producción de viga en I
donde el análisis por rayos X mostró que solamente entre el 50 y el
80% de las fibras de vidrio fluían dentro de los nervios.
Por el contrario, al usar solamente fibras de
vidrio, la formulación de GMT de vidrio largo que incluye la
sustitución de cargas minerales, tales como mica, talco o arcilla,
mejora el módulo a la vez que reduce el coste. Las cargas minerales
se puede seleccionar también a partir del grupo constituido por
caolín, carbonato cálcico, TiO_{2}, sílice pirógena, fibra de
plástico y esferas, carbonato cálcico, harina de madera, fibra
celulósica, cascarilla de arroz y envoltura de nueces. La dimensión
de partícula de las cargas también mejora la capacidad de los
refuerzos para cargar la parte de nervio profundo de la viga en
I.
El uso de GMT estructural cortado largo permite
que el material de estera de vidrio en el material compuesto
termoplástico fluya dentro de los nervios de una estructura de viga
en I más eficazmente, permitiendo la distribución de las fuerzas de
impacto por todo el parachoques. El uso de cargas minerales en el
material compuesto termoplástico, aunque reduce el contenido de
fibra de vidrio, mantiene altas las propiedades de tensión y de
flexión del parachoques, a la par que lleva a cabo un ahorro de
costes razonable. Aunque la densidad del material compuesto se
eleva lentamente, la caída en el coste de producción compensa el
aumento de peso.
Sorprendentemente, el rendimiento de impacto de
los productos GMT con cargas minerales es considerablemente
superior al de los productos GMT similares sin carga. Los
parachoques con sección en I o viga en I de GMT estructural cortado
largo con cargas minerales muestran una resistencia mejorada
respecto de los parachoques convencionales incluyendo la
resistencia de fuerza mejorada, la intrusión minimizada, y una menor
probabilidad de fallo tras un gran impacto de fuerza.
La figura 1 es una vista superior de la parte de
viga en I (10) de un parachoques. La viga en I (10) incluye una
brida frontal (18) y una brida trasera (20) que se conecta mediante
un alma (14). La viga en I (10) tiene éxito porque el material se
retira de manera a conservar la capacidad portadora de carga pero se
reduce dramáticamente el peso. Los momentos de inercia en las dos
principales direcciones pueden tener una relación tan alta como
15:1. La figura 2 es una sección transversal de la parte de viga en
I (10) de un parachoques. Cuando la estructura (10) de viga en I se
usa como parachoques de un automóvil, la carga se puede dirigir
dentro de la brida frontal (18) en una parte central (16) o una
parte terminal (12). Un impacto barrera puede ser considerado un
impacto centrado.
El ancho y el espesor efectivos de la brida
frontal (18) y la brida trasera (20) y del alma (14) se determinan
basados en el vehículo al cual se fijará el parachoques y las
normas de seguridad impuestas por agencias gubernamentales y
privadas. Según la presente invención se diseña un parachoques
usando ingeniería asistida por ordenador, describiéndose dicho
procedimiento más adelante.
La figura 3 es una vista superior de una parte
(30) de viga en I reforzada de un parachoques que muestra nervios
de refuerzo para rigidización de torsión. La figura 4 es una vista
en sección transversal de una parte (30) de viga en I reforzada de
un parachoques. Estos rigidizadores (32) distribuyen la carga de
impacto cuando el parachoques es impactado de manera no central.
Los rigidizadores son un requisito si se requiere que el parachoques
apruebe los mandatos federales y de seguros.
En referencia a la figura 5, la figura 5 es una
vista en perspectiva de un parachoques (91) de sección en I que
muestra consolas a las cuales se puede montar el parachoques. Se
muestra un conjunto de parachoques (90) en perspectiva. El equipo
de recepción del automóvil consiste en receptores (98) de sección
transversal en forma de caja. Los puntales (94) de montaje
solidarios se moldean dentro de la sección en I (91), eliminándose
la fijación del equipo con este fin en una operación secundaria.
Los nervios de rigidización de torsión (96) proporcionan la rigidez
necesaria para impactos no centrales. Un absorbedor de energía (92),
tal como un absorbedor de energía de espuma de polipropileno
expandido 45-g/l, se muestra fuerza de contacto con
la viga en I (91) por motivos de claridad.
La figura 6 es un diagrama de flujo de un
procedimiento para formar un parachoques. La fabricación de los
parachoques con sección en I que usan los materiales anteriormente
descritos procede como sigue y se muestra en la figura 6. Las
preformas de GMT precortadas se fabrican 50 conforme a un volumen
deseado de la viga en I. Las preformas se introducen en un horno
transportador (52) que está próximo de y en línea con una prensa.
Las preformas se pueden cargar dentro del horno por técnicas de
carga manuales o automáticas. El tiempo de permanencia y las
temperaturas del horno se secuencian en la prensa de moldeo por
compresión para garantizar temperatura apropiadas de
precalentamiento y la operación continua de la prensa. Las preformas
precalentadas se calentarán típicamente a aproximadamente 225 EC,
dependiendo de la composición específica de las preformas. La
cavidad del molde se carga (54) entonces con las preformas. El molde
se enfría con agua. Con los materiales usados, las preformas se
pueden laminar en forma de rollos para facilitar la carga en prensa
continua minimizando así la intervención del operador y dando como
resultado una uniformidad superior del producto final. El molde se
cierra y la presión se incrementa con un tiempo de prensado de 30 a
60 segundos. A continuación la presente preforma se enfría y se
acaba (58).
Con los materiales y el diseño utilizados, el
material compuesto fluye mucho mejor dentro de todas las áreas del
molde. En consecuencia, se minimizan las operaciones de acabado
costosas. El parachoques puede ser esencialmente una pieza
monolítica sin el montaje de puntales u otro equipo. Las operaciones
de ensamblaje y acabado de vigas de sección en I (tal como
perforación, desbarbado) se pueden combinar en una operación
secundaria. El resultado de este procedimiento de fabricación es un
subconjunto completo con absorbedor de energía y equipo de montaje
que está listo para su instalación en el vehículo. Esto da como
resultado un coste más ventajoso respecto de los materiales y
diseños anteriores. El parachoques producido se transporta 56
entonces al ensamblado del vehículo.
El parachoques proporciona estabilidad
dimensional. La combinación altamente estable del diseño de viga de
sección en I junto con el material GMT de fibra de vidrio cortado
permite satisfacer tolerancias estrictas. A continuación se listan
alguno ejemplos de tolerancias registradas con las vigas de sección
en I de producción.
- -
- Tolerancia transversal entre agujeros de montaje \pm 1,0 mm
- -
- tolerancia de perfil \pm 1,5 mm
- -
- tolerancia de espesor \pm 1,5 mm
Las vigas de parachoques se ensayaron usando un
una prueba de péndulo de parachoques. Se usaron dos configuraciones
de ensayo, FMVSS Barrera y Poste. Los datos se acumularon para las 4
vigas cada una de 6 materiales diferentes.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
Todos los productos ensayados produjeron buenos
resultados en las cargas de Barrera, sin rotura de viga. Los
materiales GMT (A y B) fueron productos estándar comercialmente
disponibles en dos fabricantes diferentes. Su prestación fue
aceptable y se uso como grupo "control" para análisis
experimentales. Formulaciones mejoradas, se ensayaron el 40% de los
productos GMT LF, pero solamente mostraron mejoras marginales
respecto de los grupos "control". El 45-46% de
los experimentos de GMT de carga mineral demostraron las mayores
cargas de pico de barrera y de Poste y la menor intrusión.
Solamente las formulaciones de GMT con carga mineral produjeron una
viga que tenía pequeñas roturas o ninguna rotura en la prueba de
Poste. La combinación de fibra de vidrio larga y pequeñas
partículas de mineral de tipo plano fluyen dentro de todas las áreas
de las vigas de parachoques de sección en I. Esta composición
homogénea puede optimizar la resistencia del diseño altamente
ranurado, lo cual permite que los nervios canalicen la energía de
impacto más eficazmente a través de toda la estructura de viga.
El procedimiento de diseño y fabricación según
la invención procede a lo largo de tres etapas de ingeniería
asistida por ordenador (CAE) y termina con la fabricación de
utillaje prototípico y piezas para ensayo físico. El procedimiento
CAE incluye simulación por ordenador de la respuesta a la Norma
federal 581 de Seguridad de los vehículos a motor y el Instituto de
Seguros para los requisitos de impacto de Poste Trasero 8.0 kph de
Seguridad en Carretera. Los resultados de simulación se
correlacionan bien con el ensayo físico mencionado en el Ejemplo A
anterior.
Con referencia a la figura 7, la figura 7
muestra las secciones de viga, determinándose sus dimensiones usando
el protocolo CAE de la invención. La primera fase del proceso CAE
es introducir los parámetros conocidos del diseño, tales como las
dimensiones del vehículo, el peso, etc. El punto de partida es una
representación informática de veinte segmentos (40) de viga en I.
Las secciones se modelan desde la línea central del parachoques (42)
al soporte de larguero (44). Las dimensiones de las secciones
varían uniformemente desde la línea central al soporte de larguero
(44).
Se optimizan cuatro variables contra el criterio
de impacto de barrera: el espesor de brida central, la longitud de
alma, el espesor de alma y el espesor de brida trasera. Cada
variable tiene un valor diferente en cada sección. Las figuras 8 y
9 ilustran la salida de esta fase del proceso CAE. La figura 8
muestra el modelo de geometría de plano mediano determinado usando
el protocolo CAE de la invención y muestra una representación de
chasis de hilo de las líneas centrales cada sección. Cada sección es
única ya que las líneas centrales dependen de las cuatro variables.
La figura 9 ilustra un perfil de espesor para un diseño específico
usando el protocolo CAE de la invención. La figura 9 muestra una
solución para un automóvil particular. En forma tabular:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Los datos iniciales para la estructura incluyen
el gobierno federal y las normas de ensayo del instituto de Seguros
la masa del vehículo, el huelgo entre los soportes de parachoques
(huelgo de larguero), el espacio de paquete, la carrera de sistema
deseada y otra información pertinente. Se puede incorporar también
una prestación para la suspensión de vehículo en el proceso CAE.
Las propiedades mecánicas del material absorbedor de energía son
conocidas, la profundidad y la masa del absorbedor de energía de
espuma de polipropileno expandido 45-g/l (EA) (92)
son salidas del proceso CAE. La fase de diseño inicial dirige los
impactos de barrera al parachoques. El programa usa una regla
heurística para determinar la forma del parachoques en un espacio
tridimensional. El primer parámetro a determinar es la energía
implicada en un impacto de parachoques y como se disipa la energía.
La energía global generada se representa mediante:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
en la
que
E es la energía (en julios)
m es la masa (en kilogramos)
v es la velocidad (en metros por
segundo)
\vskip1.000000\baselineskip
Las unidades dadas asumen que se usan unidades
del SI.
En un impacto de barrera, se requiere que la
viga en I y el EA absorban la mayor parte de la energía. La viga y
el EA absorben el 85% de la energía, siendo el resto de la energía
disipada por el chasis del vehículo. Puesto que la energía es igual
al área sometida a fuerza contra la curva de deflexión, se puede
usar la energía para determinar la carga sobre el parachoques y el
EA. La carga se puede usar entonces para determinar la deflexión
correspondiente del parachoques y el EA.
\newpage
Para cualquier parachoques con un plano de
simetría longitudinal y sometido a un momento de flexión M en algún
travesaño, la tensión normal que actúa sobre una fibra longitudinal
a una distancia Y desde el eje neutro de la viga es:
en la que \sigma es la tensión
(Newtons por
metro^{2})
M es el momento de flexión
(Newtons-metros)
Y es la distancia desde el eje neutro
(metros), y
I es el momento de inercia de la sección
transversal del elemento (metros^{4}).
\vskip1.000000\baselineskip
En las fibras exteriores de la viga, el valor de
la coordenada Y se indica mediante c y las tensiones
normales máximas son:
La tensión de flexión máxima se representa
definiendo la variable Z (metros^{3}).
En veinte secciones sobre el centro del
parachoques respecto de un soporte de parachoques, puede variar
uniformemente las dimensiones de bridas delantera y trasera, la
dimensión de alma y el espesor de alma. El procedimiento heurístico
compara el valor mínimo de Z necesario para satisfacer las
condiciones con el valor calculado.
Los parámetros de diseño se repiten hasta que
cada sección sea conforme al criterio del impacto de barrera. La
salida consiste en los datos de perfil de espesor para las bridas
frontal y trasera y el alma así como la profundidad de alma.
La geometría de plano mediano y los perfiles de
espesor se descargan en un Programa Análisis de Elementos Finitos
(FEA) como coediciones iniciales. Puesto que estas condiciones
iniciales están cercanas a una solución, el programa FEA intensivo
de cálculo tiene muy pocas iteraciones y funciona rápidamente y de
manera económica. Usando la herramienta CAE, se pueden incorporar
las propiedades de torsión del diseño que conducen al lugar y la
dimensión de los rigidizadores de torsión requeridos (32). El
rendimiento del diseño bajo los impactos altos y bajos requeridos
por las normas federales y de Seguro se pueden evaluar y el
dispositivo se puede sintonizar heurísticamente con precisión para
satisfacer estos requisitos. Después de satisfacer estos puntos, se
forma el modelo FEA y se puede usar como entrada para fabricar
utillaje prototípico que es la tercera y última etapa CAE.
Un modelo FE de elemento de envoltura de la viga
en I se genera usando la salida de plano mediano y perfil de
espesor desde la primera etapa y los datos CAD suplementarios para
el esquema de montaje y el acabado final. El modelo FE para
impactos a baja velocidad incluye el absorbedor de energía, la
estructura de cuerpo importante que se fija a y que rodea la viga
en I, y las condiciones de límite y energía de entra apropiadas.
Todos los materiales se caracterizan usando propiedades de
materiales totalmente lineales y no-lineales El
modelado de las suspensiones de vehículo para impactos a baja
velocidad no es necesario para una buena correlación entre el
ensayo físico y el análisis FE (los datos de suspensión no están
normalmente disponibles en la fase de desarrollo). Cuando la
suspensión del vehículo no está presente, los impactos de bajo
péndulo están influidos al máximo; el péndulo alto a un grado
inferior. Esto es debido a los efectos de suspensión vertical, y la
mayoría de los sistemas de captura de datos no miden la componente
de fuerza vertical. El resultado, para los impactos de péndulo
bajo, es una truncación de la fuerza contra las curvas de intrusión,
las cuales tienden a alargarse cuando la suspensión se comprime y
el vehículo cambia de actitud. Todos los análisis de impacto se
realizan usando LS-DYNA3D7. Los parámetros medibles
incluyen la intrusión del impactador, la carrera de la viga en I,
la tensión/esfuerzo de la viga en I, tensión/esfuerzo de la
estructura de cuerpo, rendimiento del absorbedor de energía, modo
de deformación del sistema, y fuerza de reacción de sistema. Los
resultados de la predicción de modelo y los resultados efectivos
mostraron un alto grado de correlación.
De lo anterior es evidente que los autores han
inventado un procedimiento para diseñar y fabricar un parachoques
en sección en I para automóviles, que se forma a partir de material
plástico. La presente invención proporciona un procedimiento para
diseñar y fabricar un parachoques GMT mejorado para automóviles que
satisface todos los requisitos relevantes para la integridad
estructural bajo la prueba de impacto estandarizada, a la vez que
reduce el coste de fabricación y el peso de las piezas. La presente
invención proporciona un procedimiento para diseñar y fabricar un
parachoques GMT para automóviles que tienen características
favorables de flujo durante el moldeo por compresión del
parachoques.
Se debe entender que la descripción anterior y
las realizaciones específicas son meramente ilustrativas del mejor
modo de la invención y sus principios, y que se pueden hacer
diversas modificaciones y adiciones al aparato por el experto en la
técnica, sin salirse del alcance de presente la invención, la cual
se entiende que solo está limitada por el alcance de las
reivindicaciones anexas.
Claims (4)
1. Un procedimiento para diseñar y fabricar un
parachoques termoplástico reforzado con fibras en forma de viga
para vehículos automóviles que tienen cargas minerales,
comprendiendo el parachoques:
- \quad
- una parte frontal que es una brida frontal sustancialmente plana (18),
- \quad
- una parte trasera que es una brida trasera sustancialmente plana (20),
- \quad
- al menos un travesaño, en el que dicho al menos un travesaño es un alma sustancialmente plana (14) que tiene un primer borde y un segundo borde opuesto, estando dicha alma (14) orientada en perpendicular a dicha brida frontal (18), de manera que dicho primer borde de dicha alma (14) esté conectado a dicha brida frontal (18) a lo largo de la línea mediana de la superficie plana de dicha brida frontal (18), y en el cual dicha parte trasera es una brida trasera (20) sustancialmente plana orientada en paralelo a dicha brida delantera (18), de manera que dicho segundo borde de dicha alma (14) esté conectado a lo largo de la línea mediana de la superficie plana de dicha brida trasera (20),
- \quad
- comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas:
- -
- determinar las dimensiones de aproximadamente 20 secciones de viga respecto de las variables: espesor de la brida delantera, longitud del alma, espesor del alma, espesor de la brida trasera,
- -
- con lo cual las secciones son modeladas a partir de una línea central (42) del parachoques hasta un soporte de larguero (44), y las dimensiones de las secciones varían uniformemente de la línea mediana (42) hacia el soporte de larguero (44); y
- -
- moldear dicha parte frontal, dicha parte trasera y dicho al menos un travesaño a partir de un material termoplástico reforzado con fibras que contiene cargas minerales.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el cual los parámetros de diseño se iteran hasta que cada sección
del parachoques sea conforme a un criterio de impacto del
parachoques.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, o la
reivindicación 2 en el cual la geometría del plano mediano y los
perfiles de espesor se descargan en un programa Análisis de
Elementos Finitos (FEA) como condiciones iniciales.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en
el cual se forma el modelo FEA y se usa, de preferencia, para la
fabricación de utillajes de prototipo.
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