Nota Original: Coding the Perfect Car Crash

 

Según Safer America , aproximadamente 1,3 millones de personas mueren en accidentes automovilísticos en todo el mundo cada año, un promedio de 3287 muertes por día. Reducir las muertes, las lesiones y los costos financieros asociados con los accidentes es una de las principales prioridades de los organismos gubernamentales de seguridad y la industria automotriz mundial, incluidos los fabricantes de automóviles y el ecosistema de proveedores de repuestos y equipos de seguridad que los suministran.

Los fabricantes de automóviles y sus proveedores invierten mucho en pruebas virtuales y físicas para mejorar la protección de los ocupantes y reducir las lesiones. Para las pruebas físicas, la intención es recrear la misma dinámica del choque en un laboratorio donde cada fuerza, impacto, reacción y milisegundo se coreografían y miden a través de un sensor, una cámara y una computadora.

Muchos estadounidenses conocieron el mundo de la simulación de pruebas de choque en 1985 por cortesía de "Vince y Larry", las estrellas de la histórica campaña publicitaria del Departamento de Transporte de EE. UU. "Podrías aprender mucho de un maniquí". Gracias en parte a este agradable par de maniquíes de seguridad, el uso del cinturón de seguridad ha aumentado del 14 % al 79 %, salvando aproximadamente 85 000 vidas y 3200 millones de dólares.

 

 

Pero esas pruebas de choque frontales de automóviles completos requieren prototipos hechos a mano y son muy costosas de ejecutar, a menudo superan el millón de dólares por instancia. Para los fabricantes que diseñan productos para reducir las lesiones, se debe optimizar todo, desde la deformación de la carrocería del automóvil hasta el tiempo de despliegue y la fuerza de las bolsas de aire.

 

Debido a las limitaciones de diseño de la estructura del vehículo, la mayor parte de la responsabilidad de reducir las lesiones de los ocupantes recae en el sistema de seguridad “pasivo”, que incluye bolsas de aire, cinturones de seguridad y otros componentes. Juntos, estos componentes pueden reducir la fuerza de desaceleración total de un impacto de 30 mph sobre un ocupante de 12 toneladas a 1,6 toneladas. Con una amplia gama de ocupantes y escenarios de colisión para investigar, los desarrolladores necesitan una forma rentable de simular la dinámica de la colisión en el laboratorio antes de ejecutar una prueba de colisión física.

Lograr estos beneficios de velocidad y costo no solo se basa en el rendimiento del sistema físico de simulación de choques, sino también en el modelo virtual detrás de él, en otras palabras, en la simulación del simulador.

 

Simulando

 

 

Ese es exactamente el desafío que Instron , un fabricante global de equipos de prueba ha aceptado y dominado con sus principales sistemas de simulación de choques, que ahora se implementan en más de 75 sitios en todo el mundo. Instron utiliza un software potente, un sistema de "catapulta" basado en un trineo y un actuador hidráulico controlado con precisión alimentado por 2,75 meganewtons (MN) de fuerza que impone las fuerzas experimentadas durante un choque en el prototipo del compartimento de ocupantes que se está probando. Este enfoque permite a los clientes de Instron ejecutar las pruebas que necesitan de forma más ágil, precisa y rentable que nunca antes.

Lograr esta trifecta de beneficios no solo depende del rendimiento del sistema físico de simulación de choques, sino también del modelo virtual que lo respalda; en otras palabras, de la simulación del simulador.

“Para cada combinación de fuerza, velocidad y tipo de choque en nuestra prueba de sistemas físicos, simulamos los resultados primero en nuestro modelo”, dijo Brad Carman, gerente de ingeniería de Instron. “El modelo ahora es lo suficientemente preciso como para reemplazar el trabajo que antes se hacía físicamente para preparar el sistema, eliminando tiempo y riesgos en el proceso de prueba y, al final, produciendo un mejor resultado”.

Podrías aprender mucho de una simulación

Cuando Carman se unió a Instron en 2013, lo hizo por una razón: el sistema de simulación de choques Hydropuls.

“Cuando vi el simulador de choque de catapulta en acción, fue amor a primera vista”, dijo. “Sabía que quería dedicarme a trabajar y mejorar ese sistema”.

La simulación de choques es una ciencia exigente. Los fabricantes y reguladores usan el sistema para probar productos contra muchos parámetros, incluidas velocidades específicas y ángulos de impacto. Las simulaciones mejoran su diseño y, en última instancia, su rendimiento y confiabilidad cuando más importa: en un choque que amenaza la vida. Controlar estos parámetros (poder lograr y repetir la simulación física para que libere las mismas fuerzas cada vez) es fundamental para verificar los resultados.

Carman sabía que la clave del rendimiento residía en un mejor modelado: "Sabía que si podíamos modelar nuestras simulaciones con mayor precisión, podríamos generar mejores resultados para nuestros clientes, maximizando la eficiencia del laboratorio y la utilidad de los datos que recopilaban".

 

 

Aumento de la resolución del modelo

 

Para llevar los modelos de Instron de buenos a excelentes, Carman se dispuso a aumentar la resolución de la simulación eliminando tantas suposiciones como fuera posible. En el transcurso de un año, introdujo 170 variables en el sistema, teniendo en cuenta varias presiones, flujos y el rendimiento de piezas individuales durante la operación del simulador de catapulta, que anteriormente no se tenían en cuenta o simplemente se suponían constantes.

“El modelo se construyó inicialmente usando MATLAB codificando las ecuaciones y el solucionador y luego usando MATLAB Coder™ para integrarlo en nuestro software”, dijo Carman. “El proyecto demostró ser exitoso, casi duplicando el rendimiento del sistema. Los clientes no solo pudieron obtener un mejor rendimiento del mismo sistema físico, sino que también lograron resultados mucho más rápidos, ya que los pasos que desperdiciaban tiempo podían eliminarse mediante una simulación precisa”.

Más tarde, se le pidió a Carman que optimizara el diseño físico del sistema. Con un modelo probado ahora en la mano, podría usar el modelo para simular un cambio físico en el sistema. Sin embargo, el problema fue que el modelo no fue construido para ser flexible; Las ecuaciones codificadas no se prestan fácilmente a cambios de diseño sistemáticos. Fue entonces cuando Carman recurrió a Simscape™. “Debido a que Simscape funciona un poco como los bloques LEGO, podemos realizar cambios a nivel del sistema más fácilmente. Ahora puedo mover los componentes del modelo, o incluso agregar otros nuevos, y Simscape vuelve a ensamblar el modelo completo para mí en un instante”.

“Sin Simscape, este proceso habría sido terriblemente lento”.

Inicialmente, Carman no estaba seguro de cómo integrar muchas de las funciones de modelado personalizado de la primera iteración del modelo, como la capacidad de crear submodelos e inversiones de modelos automáticamente desde una sola fuente. Con un poco de creatividad, Carman también pudo realizar estas funciones en Simscape a través de una herramienta personalizada que creó, llamada apropiadamente "Bradscape".

“Simscape es un lenguaje hermoso en esencia”, dijo Carman. "Debido a que esencialmente existe como archivos de texto, no hay límite para lo que puede crear y controlar".

Al final, no solo se probó un nuevo diseño óptimo, sino que todos los usos originales del modelo se reemplazaron y se integraron fácilmente en el software mediante Simulink Coder.

 

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Jacqueline Vicarte
Ejecutivo MATLAB
jvicarte@multion.com

+52 (55) 55494050 Ext. 108