Trabajo de Fin de Mster Mster en Ingeniera

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica Junio 2017 Modelado mediante elementos finitos del impacto en elementos de protección personal fabricados con materiales compuestos Palomar Toledano, Marta Director: Giner Maravilla, Eugenio Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales (UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA)

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica Índice de contenidos 1. Introducción 2. Criterios de daño en la cabeza humana 3. Modelo numérico de cabeza, casco y bala 4. Simulaciones balísticas 4. 1. Simulación de la NME-2786 4. 2. Efecto de la velocidad de impacto 4. 3. Efecto del tamaño de la cabeza 5. Conclusiones UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 2/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 1. Introducción ► El diseño de protecciones personales ha variado en las últimas décadas, pasando de la utilización de metales a materiales compuestos. ► Mejor relación resistencia-peso , pero sufren deformaciones mayores → nuevo tipo de daño: Behind Helmet Blunt Trauma (BHBT). Ocurre cuando la deformación de la cara interna del casco (BFD) golpea la cabeza. En la literatura se han realizado ensayos experimentales para cuantificar el BHBT → limitaciones en obtención de datos. ► Alternativa: modelos de elementos finitos. Parámetros mecánicos en todos los tejidos. Menor coste. ► OBJETIVO ► En este trabajo se estudia la efectividad de las protecciones personales (cascos de combate) fabricadas con materiales compuestos y la repercusión de un impacto de alta velocidad sobre los tejidos vivos de la cabeza humana. UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 3/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 2. Criterios de daño en la cabeza humana Correlación entre parámetros mecánicos y lesiones en los tejidos vivos. ► En la actualidad no existen criterios de daño específicos para el entorno balístico. Características de impacto: alta velocidad, elevada transferencia de energía y corta duración → necesidad de evaluar la validez de los criterios existentes. ► Criterios estudiados en este trabajo: ► Fractura de cráneo • HIC: aceleraciones del CG de la cabeza. Ampliamente usado pero incapaz de predecir todos los mecanismos de daño. • Curva de Hertz: probabilidad de fractura de cráneo según HIC. UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 4/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 2. Criterios de daño en la cabeza humana ► UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 5/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 3. Modelo numérico de cabeza humana ► Segmentación con Scan. IP de imágenes de TAC proporcionadas por el Hospital La Fe de Valencia. Malla de 379550 tetraedros lineales (C 3 D 4), con diferenciación de los seis tejidos vivos principales. ► Dispersión en las propiedades constitutivas de estos tejidos en la literatura: necesidad de un método de validación para asegurar un comportamiento realista del modelo. ► UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 6/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 3. Modelo numérico de cabeza humana: validación ► Recreación de dos ensayos experimentales de la literatura comparando distintos conjuntos de propiedades. Presiones Intracraneales Rigidez y fractura del cráneo Tejidos óseos ► Encéfalo Predicción de la fractura craneal mediante subrutina VUSDFLD basada en criterio de Rankine. UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 7/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 3. Modelo numérico de casco de combate completo ► 18000 4500 0. 33 770 2600 UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA 0. 25 0. 33 2600 – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 8/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 3. Modelo numérico de bala e integración casco-cabeza ► Bala de calibre 9 mm tipo Full Metal Jacket (FMJ) con núcleo de plomo y chaqueta de latón. Comportamiento material modelado mediante EOS (Equation of State) incluyendo modelo de daño de Johnson-Cook para metales. ► Integración de los modelos de casco y cabeza mediante una simulación dinámica de baja velocidad con Abaqus/Explicit → ajuste de las almohadillas a la cabeza. UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 9/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 4. Resultados ► Cálculos numéricos en torno a tres líneas: - Simulación de la normativa de aceptación de cascos española, NME-2786 → comprobar si esta normativa realmente garantiza la protección frente al daño en la cabeza humana. - Estudio del efecto de la velocidad de impacto sobre el deterioro del casco y el riesgo de fractura craneal y trauma encefálico. - Estudio de la influencia del tamaño de la cabeza y el espesor del sistema de amortiguamiento interno en el nivel de protección del casco. UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 10/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 4. 1. Simulación de la NME-2786 ► Protocolo de ensayo de resistencia del casco de combate ante munición convencional (bala 9 mm FMJ). Impacto balístico a 425 m/s en cuatro localizaciones. • • ► Dummy de madera con núcleo de arcilla. Trauma ≈ BFD (deformación permanente en la arcilla) Simulación con Abaqus/Explicit con el modelo numérico de cabeza desarrollado → evaluar el efecto real del disparo sobre los tejidos vivos, a partir de diferentes parámetros mecánicos. Disparo frontal UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA Disparo lateral-derecho – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 11/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 4. 1. Simulación de la NME-2786 Frontal Lateral Occipital Vértice 262. 18 345 285 533 SFC(g) 50. 4 56. 2 52. 1 66. 9 P(fract) 5% 9. 4% 6. 1% 20% DDM 89% 96% 97% 99% CSDM 0% 0% 243 250 260 460 Protección adecuada en términos de aceleraciones en el centro de gravedad de la cabeza y en deformaciones del encéfalo → no hay riesgo de daño neuronal o conmoción. ► No se predice fractura del cráneo. ► Elevado riesgo de cavitación → hemorragias y contusiones. ► Presiones intracraneales por encima del umbral de daño severo. ► UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 12/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 4. 2. Efecto de la velocidad de impacto ► Estudio paramétrico variando la velocidad inicial de la bala desde 425 m/s hasta perforación del casco. Casos frontal y lateral-derecho. UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA – D. I. M. M. ► Energía interna del cráneo: mejor parámetro para predecir fractura. ► Salto en la curva V-EI coincidente con transición entre casos de fractura y no fractura craneal. ► Umbral de energía para iniciación de grieta en hueso frontal: ~ 4 J→ un orden de magnitud superior al reportado en impacto de baja velocidad. ► En el caso lateral, umbral en 1. 63 J. ► Valores de BFD críticos de 26 mm en caso frontal, 24 mm en caso lateral. Palomar Toledano, Marta 13/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 4. 2. Efecto de la velocidad de impacto ► Velocidades de impacto de ~595 m/s → fractura de tipo lineal. ► A partir de 615 m/s → fractura estrellada. Con este patrón de grietas el riesgo de daño neuronal pasa del 0 al 8%. Evolución temporal de la fractura en hueso frontal UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 14/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 4. 3. Efecto del tamaño de la cabeza y talla del casco ► Talla M Talla L 262. 18 659. 5 SFC(g) 50. 4 72. 8 P(fract) 5% 28. 9% DDM 89% 95% CSDM 0% 0% 243 340 UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 15/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 4. 3. Efecto del tamaño de la cabeza y talla del casco Velocidades críticas a fractura un 13% inferiores al caso de talla M. Energía interna de iniciación de grieta un 30% menor. ► Valores de BFD también inferiores → medida no vinculada al trauma real. ► ► Necesidad de respetar la stand-off distance. Establecer protocolos de aceptación que tengan en cuenta el tamaño del sujeto. UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 16/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica 5. Conclusiones ► Se ha desarrollado una metodología de estudio del impacto balístico sobre protecciones personales de materiales compuestos basada en modelado numérico → análisis más profundo que mediante experimentos. ► Los protocolos de aceptación de cascos de combate actuales presentan carencias a la hora de asegurar un nivel determinado de protección → BFD no es una medida fiable. ► Un criterio adecuado para la fractura craneal es el de energía interna, con un umbral de rotura del hueso frontal de 4 J y del temporo-parietal de 1. 63 J. ► El tallaje del casco tiene un papel relevante en su efectividad. Reducir el espesor del sistema de amortiguamiento interno implica aumentar el riesgo de daño. Los fabricantes deben ajustar el tamaño de la calota para las diferentes tallas. UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA – D. I. M. M. Palomar Toledano, Marta 17/17

Trabajo de Fin de Máster – Máster en Ingeniería Aeronáutica Junio 2017 Modelado mediante elementos finitos del impacto en elementos de protección personal fabricados con materiales compuestos Palomar Toledano, Marta Director: Giner Maravilla, Eugenio Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales (UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA)