Desarrollo de estructuras de impacto en materiales compuestos para vehículos ligeros

Abstract

Environmental concerns are increasing within the industy, especially in the automotive industry. On one hand, they are making efforts to reduce the CO2 emissions and on the other hand, they are working in the development of the electric vehicles which do not produce emissions. In order to reduce emissions, the fuel consumption of the engines must be reduced and one of the strategies that they are following is focused in lightweighting. Regarding the electric vehicles, one of the limitations that they have is the range limitations, which partly are due to the high weight of the battery pack. Therefore, lightweight strategy is something that is in mind of the OEMs of actual vehicles and electric vehicles. However, safety of the passengers must be ensured in spite of reducing the overall weight of the vehicle. For this reason, over the last decades, there is a huge research about lightweight materials with higher mechanical properties. Composite materials are some of them. The actual impact structures are made of metallic materials such as steel and aluminium. In the present thesis, impact structures made of composite materials are analysed and developed in order to reduce the weight of the component and increase the energy absorption capabilities in a crash scenario. The influence of the reinforcement type and the laminate stacking secuence in energy absorption capabilities of the material is analysed. Unidirectonal and bidirectional E-glass fibres and bidirectional basalt fibres are used in order to maximize the absorbed energy and determine which the best reinforcement material for this application is. Another parameter that have been analysed in the present investigation is the effect of the fibre volume fraction in energy absorption capability. It has been found that there is an optimum fibre content value which maximizes the energy absorption of the structure during the crushing process. Most of the research has been focused in analysing the influences of the different parameters in the crushing stage of a unitary semi-hexagonal profile. However, combination of semi-hexagonal profiles as honeycomb concept, allows designing and manufacturing different impact structures optimized for each type of vehicle, depending the characteristics and energy to be absorbed in each case. For this reason, the effect of the geometry due to the combination of the semi-hexagonal profiles has been also analysed. The results have shown that increasing the corrugation level of the structure, the specific energy absorption capability of the structure is higher. The experimental development of automotive components is expensive. Therefore, using an accurate numerical model that is capable to predict the behaviour of a composite structure during crushing process, experimental costs can be overcome. In consequence, a numerical model that is capable to predict accurately the crushing behavior of a composite structure has been developed. Once the numerical model has been validated with experimental results, a numerical optimization of the semi-hexagonal geometry has been made by finite element analysis. One of the limitations of the composite materials is the lack of productivity due to the manufacturing processes. In this line, the crush properties of the material manufactured by a new process which is under development by Mondragon Unibertsitatea have been characterized. The new manufacturing process is based on the traditional pultrusion process but with alternative UV curing system. The curing of the material is done out of the mould and this allows manufacturing the material in a continuous and automatized way, with higher productivity than the traditional pultrusion process. The crushing properties of the material manufactured by UV pultrusion have been compared with the properties of the material manufactured by vacuum assisted infusion process and hand lay-up process. The results have shown that the materal properties of UV pultrusion are similar or even higher than the properties of the same material manufactured by other processes. Finally, real composite impact structures manufactured by UV pultrusion process have been integrated in an electric light truck vehicle prototype in order to test them in a real crash test scenario. The results have validated the high energy absorption capabilities of the composite structures in a crash scene. The absorbed specific energy quantities have been significantly higher comparing with the metallic impact structures.

La preocupación medio-ambiental va en aumento en diversos sectores de la industria, en especial en la industria automovilística. Por un lado se está trabajando en la reducción de emisiones de CO2 mediante el desarrollo de motores más eficientes. Por otra parte, en el desarrollo de vehículos eléctricos que contaminen el medio ambiente en menor medida. Con este mismo fin, todos los grandes fabricantes de automóviles han adoptado la estrategia de intentar reducir el peso de los vehículos. En el caso particular de los vehículos eléctricos, una de las mayores limitaciones es la falta de autonomía, que en parte es debido al elevado peso de las baterías. Sin embargo, la seguridad de los pasajeros no debe verse afectada debido a la reducción del peso del vehículo. Es por ello por lo que en las últimas décadas se está investigando sobre el uso de materiales más ligeros con mejores propiedades para reducir el peso y aumentar la seguridad de los pasajeros. Entre estos materiales se encuentran los materiales compuestos de matriz polimérica, en los cuales se centra la presente investigación. Las actuales estructuras de impacto de los vehículos son de materiales metálicos como el acero y el aluminio. En esta tesis se analizan y se desarrollan estructuras de impacto o crash box de materiales compuestos reforzados con fibra contínua de manera que se consigue reducir considerablemente el peso del componente y aumentar la capacidad de absorber energía en caso de un accidente. Por un lado se realiza un análisis de tipo de refuerzo y la influencia de la secuencia del laminado en la capacidad de absorción de energía de la estructura. Se trabaja con fibras de vidrio unidireccionales, bidireccionales y fibras de basalto bidireccionales para intentar maximizar la energía absorbida y elegir el material de refuerzo más adecuado. Otro de los aspectos trabajados es el efecto que tiene el porcentaje de volumen de fibra en el comportamiento a colapso de las estructuras. Se ha podido ver que existe un porcentaje óptimo en el cual la estructura es capaz de absorber mayores cantidades de energía. La mayoría del trabajo se ha centrado en analizar las propiedades a colapso de un perfil unitario semi-hexagonal cambiando diferentes parámetros. Sin embargo, la idea es utilizar la combinación de estos perfiles siguiendo el concepto de nido de abeja para poder diseñar estructuras de impacto modulares que se puedan adaptar a las diferentes Resumen viii especificaciones que tienen los vehículos distintos. Para ello, también se ha analizado el efecto que tienen las diferentes geometrías que se obtienen después de combinar estos perfiles en términos de absorción de energía. Se ha podido comprobar que aumentando el nivel de corrugación se consiguen disipar mayores cantidades de energía. Debido a los costes que suponen los ensayos experimentales, hoy en día la mayor parte del desarrollo se efectúa mediante simulaciones numéricas. Es por ello por lo que se ha trabajado en el desarrollo de una herramienta numérica capaz de predecir con exactitud el comportamiento a colapso analizado experimentalmente. Una vez que el modelo ha sido validado, se ha realizado una optimización de la geometría de la sección del perfil semi-hexagonal mediante el método de los elementos finitos. Una de las mayores limitaciones de estos materiales es la falta de productividad de los procesos de fabricación. Por ello, se han querido analizar las propiedades a colapso del material fabricado por un nuevo proceso que está en fase de desarrollo en Mondragon Unibertsitatea. Este proceso está basado en la pultrusión tradicional pero con un curado alternativo de ultravioleta fuera del molde, el cual es capaz de fabricar de manera automatzada, en continuo y en cadecias suficientemente altas para hacer frente a los requisitos de productividad exigidas por la industria de la automoción. De este modo, se han analizado y comparado las propiedades del material del nuevo proceso con el mismo material fabricado por los procesos tradicionales de infusión con bolsa de vacío y el método de contacto a mano. Los resultados demuestran que las propiedades están al mismo nivel o que incluso son mejores. Por último, se han fabricado estructuras reales de impacto con los perfiles fabricados por el nuevo proceso de pultrusión y se han integrado en el chasis de un prototipo de un vehículo eléctrico para realizar un crash test en condiciones reales de impacto. Los resultados muestran la validez de este material y de estas estructuras para esta aplicación. Las cantidades de energías absorbidas por unidad de peso son significativamente mayores que las estructuras metálicas que se emplean actualmente.

Ingurugiroarekiko ardura geroz eta handiagoa da industriako hainbat sektoretan, bereziki automobilgintzan. Alde batetik CO2 emisioak murriztea dute helburu eta bestetik, auto elektrikoen garapenean dabiltz burubelarri lanean. CO2 emisioak murrizteko motorren kontsumoa gutxitu beharra dago eta hori lortzeko estrategietako bat autoen pisua murriztean datza. Auto elektrikoei dagokienez, eragozpen handienetako bat hauek duten autonomia mugatua da, hein handi batean bateriek duten pisu altuaren eraginez. Hori dela eta, autoen pisua murriztearen estrategia gaur egungo autoak eta auto elektrikoak garatzen dituzten fabrikatzaileen agendetan txertatuta dago. Aitzitik, autoen pisu murrizketak ezin du inolako eraginik izan bidaiarien segurtasunean. Arrazoi hori medio, azken hamarkadetan ikerketa ugari ari dira egiten propietate hobeak dituzten material arinen inguruan, autoaren pisua murrizteaz gain bidaiarien segurtasuna hobetzeko asmoz. Material hauen artean aurkitzen dira matrize polimerodun material konposatuak eta hain zuzen ere, ikerketa hau mota honetako materialetan oinarritzen da. Gaur egungo autoetako inpaktu egitura gehienak altzairua edo aluminioa bezalako material metalikoz eginda daude. Tesi honetan berriz, material konposatuz eginiko inpaktu egiturak aztertzen eta garatzen dira. Modu honetan osagai hauen pisua murrizteaz gain, auto istripu batean sortzen diren energia kantitate handiagoak xurgatzeko ahalmena lortzen da. Alde batetik zuntz mota ezberdinek eta zuntz hauen sekuentziak, egituraren energia espezifikoa xurgatzeko ahalmenean duen eragina aztertzen da. Horretarako, norabide bakarrean eta bi norabidetan zuzendutako beira zuntzak eta bi norabidetan zuzendutako basalto zuntzak erabiltzen dira, zuntz material egokiena aukeratu eta egituraren energia xurgatzeko ahalmena hobetzeko asmoz. Lan honetan azterturiko beste faktore bat, zuntz portzentaiak egituraren kolapso portaeran duen eragina da. Emaitzak aztertuz, egituraren energia xurgatzeko ahalmena maximizatzen duen zuntz portzentaia jakin bat dagoela ondorioztatu da. Ikerketaren zati handi bat, hainbat propietatu aldatuz egitura semi-hexagonal unitario batek kolapsorako duen portaera aztertzean oinarritu da. Hala ere, perfil semi-hexagonal hauek abaraska kontzeptuan oinarrituta konbinatuz auto ezberdinentzako baliagarriak izan daitezkeen egitura modularrak garatu ahal izatea da ideia Laburpena vi nagusietako bat. Hori dela eta, perfil hauek konbinatuta lortzen diren geometria ezberdinek energia xurgatzeko ahalmenean duten eragina aztertu da. Egituren ondulatze maila handitzen doan heinean egituraren xurgamen ahalmena handiagoa dela ikusi da. Entsegu experimentalek duten kostu ekonomiko altua dela eta, gaur egun automozioko osagai gehienen garapen ia guztia simulazio numeriko bidez burutzen da. Arrazoi hori medio, egiturak entsegu experimentaletan kolapsoan erakutsi duen portaera zehaztasunez aurreikustea ahalbideratzen duen herraminta numeriko bat garatu da. Behin entsegu experimentaletako emaitzak numerikoki balidatu ostean, perfil semi-hexagonalaren sekzioaren optimizazio bat egin da simulazio numeriko bidez, energia xurgapen ahalmen handiena duen geometria aurkitzeko asmoz. Material konposatuen muga handienetako bat, gaur egungo fabrikazio prozesuen produktibitate falta da. Muga hau gainditzeko asmoz, Mondragon Unibertsitateak garapen fasean daukan prozesu berri baten bidez fabrikatutako materialaren kolapso propietateak aztertu dira. Prozesu berri hau, pultrusio prozesu tradizionalean oinarriturik dago. Aitzitik, materialaren ontze prozesua moldetik kanpo ematen da eta ontze sistema termikoa izan beharrean, izpi ultramore (UV) bidezkoa da. Modu honetan, material konposatuzko perfilak modu automatizatu, jarrai eta automozio industriak behar duen kadentzietan fabrikatzeko gai da prozesu hau. UV bidezko pultrusio prozesuarekin fabrikatutako materialaren propietateak, huts-poltsaz lagunduriko infusio prozesuarekin eta esku-kontaktu bidezko prozesu tradizionalarekin fabrikatutako materialen propietateekin alderatu dira. Lortutako emaitzen arabera, prozesu berriarekin fabrikatutako materialaren propietateak maila berean edota maila altuagoan daudela ikusia. Azkenik, auto elektriko baten prototipo batean, UV pultrusioz fabrikatutako inpaktu egitura erreal batzuk integratu dira kondizio errealak simulatuko dituen istripu entsegu experimental bat burutzeko. Emaitzen arabera, material hau aplikazio hauetarako baliagarria dela egiaztatu da. Istripu entseguan xurgatutako energia kantitateak, material metalikoz