Cientifica, ISSN 2594-2921, vol. 28, no. 2, July-December 2024.
DOI: 10.46842/ipn.cien.v28n2a08
Simulación numérica de casco mediante interacción de elementos 2D y 3D
Numerical simulation of helmet through interaction of 2D and 3D elements
Recibido 12-08-2024, aceptado 24-11-2024.
Resumen
Las lesiones en la cabeza causadas por accidentes de motocicleta son una de las principales causas de mortalidad grave, siendo el traumatismo craneoencefálico, las lesiones cerebrales, la lesión en la médula espinal, las lesiones faciales y en el cuello las más comunes. El casco es un componente esencial para proteger la cabeza durante un accidente. Un casco moderno generalmente cuenta con una carcasa exterior rígida fabricada en termoplástico o fibra de vidrio, diseñada para reducir la energía del impacto inicial. El modelado 3D en CAD permite diseñar la carcasa del casco, generando un discretizado controlado con elementos hexaédricos para 3D y cuadráticos para 2D, para realizar simulaciones numéricas bajo las condiciones de frontera especificadas en la norma PROY-NOM-206-SCFI/SSA2-2016. Cada simulación se ejecuta manteniendo las mismas condiciones de frontera y propiedades mecánicas tanto para el casco de ABS como para el bloque de acero A36, variando únicamente los elementos 2D y 3D en cada pieza (casco y bloque). Las simulaciones, realizadas durante 20 ms, permiten obtener deformaciones unitarias, esfuerzos y energía interna. Los resultados muestran que, al emplear un material rígido, el tiempo de cómputo es similar independientemente del tipo de elementos (2D o 3D). No obstante, al utilizar elementos 2D para materiales deformables, el tiempo de cómputo se reduce en un 88.4% en comparación con los elementos 3D. Las variaciones observadas se reflejan principalmente en la rigidez del material y la energía interna, debido a la mayor cantidad de elementos en el espesor del material cuando se utilizan elementos 3D. Sin embargo, el esfuerzo máximo y la deformación unitaria máxima son iguales, independientemente del tipo de elemento empleado. La interacción entre elementos 2D y 3D no genera variaciones significativas, excepto en el tiempo de iteración, que aumenta en 0.05 ms, debido a que los elementos 2D, al tener menos elementos en el espesor, requieren más tiempo para generar la interacción. Sin embargo, este incremento es insignificante.
Abstract
Head injuries resulting from motorcycle accidents are a leading cause of severe mortality, with the most common injuries being traumatic brain injury, brain lesions, spinal cord injuries, facial injuries, and neck injuries. The helmet is a critical component for protecting the head during a motorcycle accident. A modern helmet typically features a rigid outer shell made from thermoplastic or fiberglass, designed to reduce the initial impact energy. 3D CAD modeling allows for the design of the helmet shell, creating a controlled discretization with hexahedral elements for 3D and quadratic elements for 2D to perform numerical simulations under the boundary conditions specified by the PROY-NOM-206-SCFI/SSA2-2016 standard. Each simulation is conducted with the same boundary conditions and mechanical properties for both the ABS helmet and the A36 steel block, with only the 2D and 3D elements of each piece (helmet and block) varying. The simulations, performed over 20 ms, provide unit deformations, stresses, and internal energy. The results show that, when using a rigid material, the computation time is similar regardless of the element type (2D or 3D). However, when 2D elements are used for deformable materials, the computation time is reduced by 88.4% compared to 3D elements. The observed variations mainly reflect differences in material rigidity and internal energy, due to the higher number of elements in the material thickness when using 3D elements. Nevertheless, the maximum stress and maximum unit deformation are the same, regardless of the element type used. The interaction between 2D and 3D elements does not result in significant variations, except in the iteration time, which increases by 0.05 ms. This is due to 2D elements, having fewer elements in the material thickness, requiring more time to generate interaction. However, this increase is insignificant.
Palabras clave: simulación numérica, método elementos finitos,
dinámica estructural, elementos 3D, elementos 2D.
Index terms: numerical simulation, finite element method,
structural dynamics, 3D elements, 2D elements.
ISO 690 reference:
Cruz Jaramillo, Iván Lenín;
Domínguez Sánchez, Martin;
López Hernández, María del Carmen;
Ferreyra Coroy, Víctor Manuel,
2024,
Simulación numérica de casco mediante interacción de elementos 2D y 3D,
Científica, vol. 28, no. 2,
ISSN 2594-2921, e280208,
DOI: 10.46842/ipn.cien.v28n2a08
