El desarrollo de los asientos de coche es más seguro con la simulación

Los niños necesitan muchos equipos especiales, y la confusión de los padres sobre qué comprar suele empezar incluso antes de que el recién nacido salga del hospital. La seguridad de los niños es un tema de gran importancia para la mayoría de los futuros padres, y las sillas de coche ocupan el primer lugar de la lista. No es de extrañar: los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) identifican los accidentes de tráfico en Estados Unidos como la principal causa de muerte de los niños de hasta 12 años1.

Con la previsión de que el mercado de sillas de auto para bebés crezca en 1.680 millones de dólares entre 2021 y 20222, los fabricantes de vehículos y de sillas de auto siguen de cerca las preferencias de los consumidores para adelantarse a sus demandas de seguridad, comodidad y asequibilidad. Los asientos para niños evolucionan constantemente: los diseños de los asientos de coche actuales son completamente diferentes a los de hace 15 años. La inmensa mayoría de los padres quieren asientos más seguros, más ligeros, más fáciles de usar y más portátiles, lo que requiere pruebas adicionales de materiales y nuevos diseños de asientos.

De dónde viene la investigación sobre los asientos de los coches

Para hacer frente a estos retos, los investigadores del Centro de Investigación y Prevención de Lesiones del Hospital Infantil de Filadelfia (CHOP) están utilizando el software de simulación Ansys LS-DYNA para realizar simulaciones de colisiones y entender mejor cómo proteger de forma óptima a los niños en los asientos de los coches.

«La misión de nuestro centro es principalmente buscar soluciones innovadoras para prevenir las lesiones en niños, jóvenes y adultos jóvenes a través de la investigación rigurosa y la colaboración con la industria, los responsables políticos y las agencias gubernamentales para mejorar las políticas de diseño de productos y educar a los padres y cuidadores sobre el uso correcto de los asientos para niños», dice Jalaj Maheshwari, MSE, Ingeniero de Proyectos de Investigación y un investigador principal del proyecto en el CHOP. «La simulación de Ansys ayuda a apoyar los esfuerzos de modelado computacional en la investigación de seguridad que estamos llevando a cabo».

Maheshwari y su equipo se encargan de evaluar los sistemas de seguridad de los asientos de los coches diseñados para los niños en una amplia gama de edades, lo que aumenta la complejidad de las pruebas. Los ocupantes pediátricos son una población especialmente difícil de modelar. No existe una antropometría, o medida del cuerpo humano, que pueda utilizarse en todos los casos. Las entradas del algoritmo de un niño de 18 meses son completamente diferentes de las de un niño de 3 años, que son completamente diferentes de las de un niño de 6 años, y así sucesivamente. Los sistemas de retención cambian drásticamente durante la trayectoria desde el nacimiento hasta los 11 años, a medida que el niño crece, pasando de un asiento orientado hacia atrás a otro orientado hacia delante y, finalmente, a un asiento elevador con cinturón.

Tradicionalmente, las sillas de coche para niños se han evaluado mediante pruebas físicas de choque, fijando un maniquí de tamaño infantil en una silla de coche correctamente instalada. A continuación, el banco de pruebas, o trineo, se acelera y desacelera a varios impulsos que imitan diferentes escenarios de choque para probar el movimiento de los ocupantes y las posibles lesiones. Durante las pruebas, todos los elementos, desde la colocación del maniquí, la posición del arnés y el clip del pecho hasta el ajuste del arnés, deben cumplir las normas federales de ensayo.

Las pruebas ayudan a garantizar que el asiento infantil proporciona la protección adecuada, asegurando que el sustituto del ocupante o el maniquí de prueba de choque cumple con los umbrales de lesión, o los protocolos identificados por la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en Carreteras (NHTSA), Consumer Reports y otros organismos reguladores o de información al consumidor.

Estas pruebas físicas son caras, lo que hace que la investigación de múltiples escenarios de choque sea un reto económico para todos los implicados. Aunque las pruebas físicas son un aspecto esencial de la evaluación de la seguridad y no pueden eliminarse, los fabricantes han descubierto que su combinación con la simulación puede acelerar la evaluación de los sistemas de retención y mejorar el desarrollo de asientos de coche que funcionen bien en todo tipo de choques.

No siempre se puede predecir… ¿o sí?

La mayoría de las veces, los niños son inquietos y no necesariamente se sientan rectos y miran hacia delante todo el tiempo. Además, las investigaciones realizadas por CHOP y otras entidades indican que un gran porcentaje de los sistemas de retención infantil se instalan con al menos un pequeño error del usuario3,4, como cinturones sueltos, clips de pecho no utilizados o fuera de posición, etc. El uso de LS-DYNA permite simular situaciones reales en el vehículo, como diferentes posturas de asiento en las que el ocupante se inclina hacia delante o hacia dentro5, y errores de instalación. Otros escenarios dignos de prueba, como las maniobras previas a la colisión, como los giros o las frenadas bruscas que permiten las tecnologías de los sistemas avanzados de asistencia al conductor, también pueden cambiar drásticamente la posición del niño en la silla de auto.

Para los investigadores del CHOP, es importante evaluar lo que ocurre cuando un niño está en tantas posiciones como sea posible cuando se produce un accidente. ¿Se soltará el cinturón de seguridad y, si lo hace, hay alguna forma de evitarlo? ¿O se necesita un mecanismo de sistema de retención avanzado que tire del cinturón de seguridad de forma que se ajuste mejor al niño en caso de choque?

Muévete, dummy

Los dispositivos de prueba antropomórficos o maniquíes de pruebas de choque son herramientas esenciales para evaluar las lesiones y el rendimiento de la contención en las pruebas de choque físicas. Aunque los maniquíes de pruebas de choque se parecen a los humanos, no son exactamente humanos. Para mejorar la seguridad, es importante entender cómo se comporta un cuerpo humano real. Gracias a la utilización de LS-DYNA con modelos virtuales del cuerpo humano validados, el CHOP puede simular diferentes condiciones de choque con modelos de niños de distintas antropometrías6. Para ello, el equipo debe desarrollar primero un modelo 3D de diseño asistido por ordenador (CAD) del asiento infantil y del asiento/banco de pruebas del vehículo a partir de unas dimensiones específicas según los datos de ingeniería. A continuación, se genera el modelo de elementos finitos (EF) mallando cada componente y asignándole las propiedades de material adecuadas. Los modelos individuales de elementos finitos del niño, del asiento para niños y del asiento/banco de pruebas del vehículo se introducen en un entorno, se colocan según sea necesario, se sujetan con modelos de elementos finitos de cinturones de seguridad, se asignan las condiciones de contorno y, a continuación, se cargan en un procesador para ejecutar el escenario de choque que se está investigando.

El uso de un modelo de cuerpo humano virtual durante la simulación requiere una variedad de tamaños de malla con diferentes condiciones de contorno. Los investigadores evalúan sus mallas y las asignan a cada parte del cuerpo. Esta actividad suele implicar un mallado más fino en determinadas zonas del cuerpo para mantener las características y las complejidades de la geometría que están utilizando.

Los modelos del cuerpo humano son un componente clave de las simulaciones de Maheshwari para ayudar a evaluar cómo podrían cambiar los aspectos de seguridad del sistema de retención infantil en una amplia gama de edades y tamaños de niños. Los datos resultantes permiten diseñar sistemas de seguridad de vehículos y sistemas de retención infantil para niños de todos los tamaños y edades, y también ayudan a los responsables políticos a elaborar políticas y normas de ensayo que supongan un cambio positivo en la seguridad infantil.

Ansys LS-DYNA: una herramienta para la investigación académica

CHOP utiliza Ansys LS-PrePost dentro de LS-DYNA para preprocesar, enviar simulaciones y postprocesar sus resultados. Maheshwari comienza introduciendo modelos individuales para los que ha creado mallas con propiedades de material específicas. Se define el entorno de los asientos y, a continuación, se utiliza LS-PrePost para colocar al ocupante en el entorno de los asientos, que podría ser un vehículo completo o un trineo de pruebas con el niño en un asiento infantil apropiado para su edad.

Diferentes tipos de pre-simulaciones ejecutadas en LS-DYNA ayudan a posicionar al ocupante y a deformar o comprimir el asiento para reflejar el mundo físico. El asiento infantil y el modelo del cuerpo humano se colocan en el entorno del vehículo y se ajustan en función de la gravedad. Una vez asentados esos modelos, el equipo sujeta el asiento infantil y el niño al vehículo, aplica las condiciones límite deseadas de los choques y ejecuta las simulaciones.

En el mundo físico, dice Maheshwari, los choques de vehículos terminan en un instante, con una duración de 120 milisegundos; sin embargo, los tiempos de simulación pueden durar entre dos horas y siete días, dependiendo de la complejidad del modelo que estén utilizando. Una vez terminada la simulación, los datos pueden exportarse para su posterior análisis.

Reducción de los costes de investigación, no las pruebas

Con todas estas pruebas, los costes pueden ser realmente elevados, lo que hace que la simulación sea una excelente opción para la investigación académica. Ansys apoya la investigación de Maheshwari haciendo que las licencias sean más asequibles para el equipo. Una licencia de Ansys no limita al equipo al número de pruebas que puede realizar, sino a la duración de la licencia. Con LS-DYNA, pueden realizar tantas simulaciones paramétricas como deseen. En este momento, ya han realizado más de 100 simulaciones de impacto completo, y siguen utilizando un modelo de cuerpo humano virtual, un logro que resulta prohibitivo desde el punto de vista económico y que requiere mucho tiempo con una prueba de trineo física.