rediseño de protecciones de absorción de impactos en

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
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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.
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
 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.
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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
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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.
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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]
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