rediseño de protecciones de absorción de impactos en
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rediseño de protecciones de absorción de impactos en
REDISEÑO DE PROTECCIONES DE ABSORCIÓN DE IMPACTOS EN ESTACIONES DE ESQUI Luis Ascaso, José Antonio1 ; Serrano Carrillo, Jorge1; Serrano Ortiz, Ivana1 ; Villar Lafoz, Jesús1P; Villén Martínez, Mayte1; Zubi, Ghassan1; Rebollar Rubio, Rubén2 1 Alumnos de Ingeniería Industrial del Centro Politécnico Superior de Zaragoza 2 Area de Proyectos. Centro Politécnico Superior. Universidad de Zaragoza RESUMEN Se plantea la necesidad, por parte de la empresa fabricante, de rediseñar un modelo existente de protecciones de polietileno, utilizadas en las estaciones de esquí para disminuir el efecto de los choques de los esquiadores contra postes y otro tipo de obstáculos, con el fin de aumentar su capacidad de absorción de impacto sin elevar de forma considerable su coste. El rediseño se ha desarrollado en tres líneas principales: • Búsqueda de alternativas a los materiales utilizados actualmente. • Mejora de la geometría de la protección mediante simulación con elementos finitos y técnicas Taguchi de realización de experimentos. • Posibilidad de utilizar el aire contenido en la geometría de la protección como otro elemento de absorción del impacto. Siguiendo estas líneas, se han elaborado las conclusiones correspondientes y se han apuntado las pruebas experimentales a realizar para comprobar la fiabilidad de este estudio teórico. ABSTRACT The manufacturing firm needs to redesign an existent model of polyethylene protections used in the ski stations to prevent the collision between skiers and obstacles. The objective is to elevate de impact absorption capacity but without an increase of the costs. This redesign has three main lines: • Looking for different materials from the one used actually. 474 • Geometry enhancement through finite elements simulation and with Taguchi Techniques for experiments design. • Interaction between the air inside the protection and the protection itself as another way of impact absorption. Studying these lines we have reached different conclusions and the necessary experiments to corroborate the reliability of this theoretical study. 1. INTRODUCCIÓN Tradicionalmente, las protecciones para las estaciones de esquí se realizaban con bloques de gomaespuma (Fig. 1) envueltos en fundas de lona plastificada sujetas por solapas con hollados (Fig. 2). La gomaespuma podía tener densidades de 20, 25 ó 30 kg./m 3 según fuera necesaria una mayor protección. Esta configuración presenta una buena absorción de impacto a un precio relativamente bajo, sin embargo uno de los principales inconvenientes es la absorción de agua por parte de la gomaespuma en caso de rotura de la funda protectora y, dadas las condiciones atmosféricas en las que trabaja, si se produce la congelación del agua la gomaespuma se convierte en un bloque macizo sin ningún nivel de protección. Además, al tratarse de bloques de grandes dimensiones, no pueden escurrirse para eliminar el agua, por lo que una vez introducida, la protección queda prácticamente inservible. Fig. 1: Bloque de goma espuma Fig. 2: Protección de goma espuma El sector de equipamiento para nieve de Toldos Serrano S.A. ha trabajado durante muchos años con las protecciones para pistas de esquí y detectó los problemas de la gomaespuma antes mencionados; por lo que en 1994 lanzó al mercado el TS-8 (Fig. 3 y 4) un nuevo tipo de protección de polietileno compuesto por láminas y cilindros. Debido al exclusivo manipulado y a las especiales características del 475 polietileno reticulado que se utiliza en el interior de las protecciones, se alcanzan importantes mejoras respecto a las protecciones de gomaespuma: Fig. 4: Protección de TS-8 Fig. 3: Láminas de TS-8 ü No absorción de agua: El polietileno reticulado es un producto de mínima absorción de líquidos por ser de célula cerrada a diferencia de las protecciones de gomaespuma que son de célula abierta. ü Mayor duración del relleno: Otra de las importantes características de esta protección es que se trata de un material no parasitario, que unido a la no absorción de agua hace que la vida útil del producto sea mucho más larga que en cualquier otro relleno convencional. ü Menor peso: La combinación de láminas con tubos cilíndricos huecos de polietileno reticulado disminuye de una forma muy importante el peso de las protecciones. Además resultan ser mucho más manejables, característica importante cuando hay que desplazarlas o manipularlas dentro de la estación. Para comparar la capacidad de absorción de las distintas protecciones existen varios parámetros, siendo uno de los más usados el Criterio de Lesión de la Cabeza o Head Injury Criterion (HIC). En base a este parámetro la empresa, en colaboración con el ITA (Instituto Tecnológico de Aragón), realizó unos experimentos de impacto mediante la caída de un identador sobre una lámina del material, con los que se pudo comprobar que la nueva protección amortigua mejor los impactos que la gomaespuma de densidad 20 kg./m 3 aunque resulta más cara, sin embargo, queda por debajo de la gomaespuma de 30 kg./m 3 (Fig. 5) con un nivel de costes similar. 476 1 t2 HIC = adt ∫ t 2 − t1 t1 2 .5 (t 2 − t1 ) Fig. 5: Indice HIC y gráfica comparativa de distintas protecciones 2. ALCANCE Así, el objeto de este proyecto es el estudio de la posible mejora de la absorción de impacto de la protección de polietileno TS-8 frente a la de goma- espuma de densidad 30 kg./m 3 sin un aumento significativo en costes, pudiendo actuar sobre los materiales y geometría del producto siempre que no afecte a la patente. En un principio se estudió el problema de forma general intentando descubrir qué parámetros eran los más influyentes en la absorción de impactos y cómo obtener esos parámetros para su posterior análisis. Para el cálculo de las deformaciones y la aceleración se pensó en un principio en utilizar algún modelo ya existente, sin embargo, la bibliografía hacía referencia a modelos lineales con hipótesis de pequeñas deformaciones, por lo que no se ajustaban a la realidad del problema. Así que, pese a su complejidad, se optó por realizar una simulación por el Método de los Elementos Finitos. Durante los primeros ensayos se realizaron pruebas con los cilindros cerrados por los extremos, quedando de este modo el aire encerrado en su interior y, aunque el índice HIC resultaba muy alto, ya que el identador rebotaba bruscamente, esto abrió otra vía de estudio ya que se contempló la posibilidad de aprovechar el aire interior para obtener un comportamiento similar al de un amortiguador. De esta forma se planteó el estudio del problema, desde tres ópticas diferentes: Materiales, Estructura y Fluidos. 477 3. ESTUDIO DE MATERIALES Conociendo las propiedades del polietileno que se nombraron anteriormente, se buscaron alternativas al mismo con iguales o mejores características a un precio similar o menor, llegando a las siguientes conclusiones después de analizar información sobre materiales [1], [2] y empresas manipuladoras de polietileno. ü No hay polímeros más baratos que el polietileno con iguales características, ya que es el más comercializado. ü El coste de manipulado que paga la empresa es bastante bajo por lo que sería difícil reducirlo cambiando de proveedor. 4. ESTUDIO DE LA ESTRUCTURA Para el estudio dinámico de la estructura se utilizó el software de elementos finitos Abaqus [3]. El mayor inconveniente fue, que al tratarse de un material no lineal con una geometría simple pero elaborada a nivel estructural, la simulación presentaba grandes dificultades. Para obtener la curva de aceleración con la que calcular el índice HIC se simuló el impacto de un identador de 35 kg. sobre una lámina de TS-8, reproduciendo de este modo las condiciones utilizadas en los experimentos del ITA. Este ensayo se realizó sobre la configuración original y sobre variaciones de la misma para descubrir como varía la absorción de impacto ante distintas geometrías. Aplicando el método de diseño de experimentos de Taguchi se pudo comprobar la influencia de 3 factores (separación de los cilindros, diámetro interior de los cilindros y espesor de la plancha) únicamente con 4 simulaciones (Fig. 6). Fig. 6: Simulaciones con variación de la geometría 478 De estas simulaciones (Fig. 7) se obtuvo que los factores más influyentes en la capacidad de absorción son la separación entre los cilindros y la combinación de esta separación con el espesor de la plancha superior. Fig. 7: Simulación por Elementos Finitos 5. ESTUDIO DE FLUIDOS La estructura del TS-8 se basa principalmente en cilindros huecos en los que, al producirse el impacto, el aire se pierde sin absorber energía de impacto y por tanto sin participar en la amortiguación del golpe. En los primeros ensayos del material se hicieron pruebas sellando los extremos de los cilindros, sin embargo, al no poder escapar el aire, aumentaba excesivamente su presión produciendo una fuerza de reacción que hacia rebotar el identador con el cual se llevaba a cabo el experimento. Como ninguno de los dos casos, dejar el extremo del tubo sin tapar o taparlo completamente, daba resultados satisfactorios, se decidió llegar a un compromiso entre ambos. Para ello, se estudió la posibilidad de realizar pequeños orificios por los cuales saliera el aire pero aumentando su presión antes de que se evacuara [4]. En un principio se consideró la posibilidad de realizar los orificios a lo largo de los cilindros para permitir una salida de aire uniforme al alcanzar la presión deseada, sin embargo esto encarecería la manipulación del producto, por lo que se optó por situar los orificios en unos tapones colocados en los extremos de los tubos. Para determinar cómo aumentaría la Aumento de la energía absorbida frente al aumento de presión energía absorbida al aumentar la presión del interior de los cilindros se simuló el de los agujeros [5], aproximándolos al comportamiento de una Absorción de Energía W comportamiento válvula (Fig. 8). dP Fig. 8: Absorción de energía frente al aumento de presión 479 Con la ayuda de estos cálculos resulta fácil determinar experimentalmente el número de agujeros necesarios para conseguir la absorción de impacto deseada. Basta con ir aumentando el área lateral de salida hasta conseguir que el identador deje de rebotar y después distribuir esta área en pequeños orificios aumentándola ligeramente para conseguir un margen de seguridad que evite posibles rebotes. 6. CONCLUSIONES Finalmente y recopilando todo lo anteriormente expuesto podemos obtener las siguientes conclusiones: • El material más apropiado es el polietileno utilizado actualmente, tanto por precio como por características físicas, por lo que no es recomendable ningún cambio en este aspecto. • La geometría del TS-8 puede mejorarse para obtener una absorción de impacto mayor, aunque supone un incremento de material. • El aire interior de los cilindros puede pasar a ser parte activa en la amortiguación del impacto, mejorando la seguridad sin apenas aumentar la manipulación. En base a estas 3 conclusiones fundamentales y de acuerdo con todos los cálculos realizados se pueden dar las siguientes recomendaciones para mejorar el producto: • A nivel de la estructura conviene aproximar los cilindros entre sí, ya que este factor es el que más aumenta la absorción de impacto. • La aproximación de los cilindros interacciona muy positivamente con el aumento del espesor de la plancha por lo que incluir ambos en el diseño produciría una sinergia en el resultado final. • Para aprovechar el aire interior se deberían tapar los orificios laterales con pequeñas piezas perforadas tal como se indica en el apartado de fluidos. • El efecto de amortiguación de aire se vería incrementado si el diámetro interior de los cilindros fuera mayor. En este caso la resistencia de la estructura descendería aunque en pequeña medida, sin embargo la amortiguación del aire se incrementaría enormemente por lo que el resultado neto sería positivo. • Cabe destacar que todos los resultados han sido obtenidos mediante cálculos teóricos y por lo tanto deberían ser contrastados con nuevos experimentos. 480 7. REFERENCIAS [1] Callister, W., Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Ed. Reverté, 1995 [2] Casals, J.M., Tecnología de Materiales, Universidad de Zaragoza, 1999 [3] Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Manual de Abaqus (Vol. I, II y III), HKS Inc., 2001 [4] Moran, M.J., Fundamentos de Termodinámica Técnica, Ed. Reverté, 1993 [5] Perry & Chilton, Chemical Engineers' handbook, McGraw-Hill, 1990 CORRESPONDECIA Rubén Rebollar Rubio Area de Proyectos Centro Politécnico Superior C/ María de Luna, 3 50018 Zaragoza Telf: 976-76 19 10 Fax: 976-76 18 61 e-mail: [email protected] 481