Simulación numérica de casco mediante interacción de elementos 2D y 3D

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.